Евгений Анатольевич Банников 
Сварка

Я мастер – 

«Е.А, Банников. Сварка»: АСТ, Кладезь; Москва; 2014
ISBN 978-5-17-085316-8
Аннотация

Это прикладное руководство необходимо как начинающим сварщикам, так и мастерам-любителям. В ней собрана вся основная информация для самостоятельной подготовки материалов и работы на сварочном аппарате.
Книга может использоваться как при самостоятельном обучении, так и для профессиональной подготовки к учебному заведению по профессии «сварщик».
Она содержит основные понятия и определения обо всех видах сварки, включая дуговую, холодную и газовую, а так же полное описание соединений, применяемых материалах и аппаратуре. Рассмотрены правила безопасной эксплуатации портативных сварочных аппаратов и промышленной техники.

Е. А. Банников
Сварка

© ООО «Издательство АСТ»

Введение

Сварка – это технологический процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагревании или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого.
Благодаря своей относительной простоте применения, быстроте соединения различных материалов сварка находит широкое применение.
Сварка является экономически выгодным, высокопроизводительным технологическим процессом, что обеспечивает ее использование во всех областях машиностроения, строительства, науки и техники. Например, при замене клепаных конструкций на сварные соединения экономия металлов составляет 15–20 %, а при замене литых деталей сварными – около 50 %. Сварка является необходимым технологическим процессом обработки металлов. В настоящее время сваркой соединяют разнородные и однородные материалы: металлы и неметаллы – от нескольких микрон в микросхемах до нескольких метров – в тяжелом машиностроении. Трудно назвать отрасль промышленности, которая обходилась бы без применения сварки. Сваркой соединяют детали космических кораблей, лопасти турбин, корпуса подводных лодок и самолетов, корпуса приборов и выводы микросхем. Детали, соединенные сваркой, имеют прочность, равную прочности основного металла.
Различают два вида (способа) сварки по типу энергетического воздействия:
• сварка плавлением (с применением тепловой энергии); 
• сварка давлением (с применением механической энергии). 
В первом случае материал в месте соединения расплавляют, а во втором процесс выполняют с приложением давления и местным нагревом или без него.
Энергия в зону сварки вводится в виде теплоты, упругопластической деформации, электронного, ионного, электромагнитного и других видов воздействия.
В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса:
• К термическому классу (Т)  относятся виды сварки, осуществляемой плавлением с использованием тепловой энергии. Основными источниками теплоты являются сварочная дуга, плазма, лучевые источники энергии (лазерное, электронное, фотонное излучение), теплота, выделяемая при химических реакциях (газовая, термитная).
• К механическому классу (М)  относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (ультразвуковая, взрывом, трением).
• К термомеханическому классу (ТМ)  относятся виды сварки с использованием тепловой энергии и давления (диффузная сварка, контактная и др.).
Наибольший объем среди всего разнообразия видов сварки занимает дуговая сварка , в частности ручная дуговая электросварка. Источником теплоты при этом является электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой.
Впервые мысль о возможности практического использования «электрических искр» для плавления металлов высказал в 1753 г. академик Российской Академии наук Г. Р. Рихман, исследовавший атмосферное электричество.
В 1802 г. профессор Санкт-Петербургской военно-хирургической академии Василий Владимирович Петров открыл явление электрической дуги . Петров исследовал возможности использования электричества для освещения. Им был собран «Вольтов столб» из 2 400 пар медно-цинковых кружков, с проложенной между ними бумагой, смоченных раствором нашатыря. Это была одна из самых мощных электрических батарей того времени.
В. В. Петров в своих трудах первым описал явление электрической дуги и показал возможность использования теплоты, выделяемой дугой, для плавления металлов.
Этим открытием, одним из самых значительных в XIX веке, В. В. Петров положил начало развитию новых технических знаний и науки, получивших дальнейшее практическое применение в электродуговом освещении, электрическом нагреве, плавке и сварке металлов.
Однако в то время это открытие не нашло практического применения. Спустя почти 80 лет наш русский изобретатель Н. Н. Бенардос в 1892 г. начал разработку практического применения электрической дуги для сварки металлов. Н. Н. Бенардос в 1885–1887 гг. запатентовал свой способ сварки «Электрогефест», или «Способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока», в 13 странах, в том числе и в Америке, хотя американский ученый И. Томпсон в 1867 г. одним из первых в мире пытался сварить два куска металла электросваркой.
В 1892 г. на электротехнической выставке, проходившей в Петербурге, Н. Н. Бенардос представил описание своего изобретения: «Электропайка, электросварка, электроотливка, электронаслоение, электросверление, электроразрезывание всех металлов». Он присоединял один полюс динамо-машины к листу металла, а другой к угольному электроду. В пламя дуги вводили металлический стержень.
Но Бенардос не догадался о том, что можно не вводить посторонний металл при плавящемся электроде. Это сделал русский ученый Н. Г. Славянов. Его «Способ электрической отливки металлов» увидел весь мир. На выставке в 1893 г. Славянов получил золотую медаль «За дуговую электросварку». Он представил двенадцатигранную призму из никеля, томпака, стали, чугуна, нейзильбера, бронзы обычной и колокольной, где все грани были соединены сваркой. После этого Америка уже не сомневалась в возможностях сварки цветных металлов по способу Н. Г. Славянова.
С именами Н. Г. Славянова и Н. Н. Бенардоса связано развитие металлургических основ электрической дуговой сварки, контактной сварки, создание первого автоматического регулятора длины дуги и первого сварочного генератора. Н. Г. Славяновым были предложены флюсы для получения высококачественного металла сварных швов. В Московском политехническом музее демонстрируется подлинный сварочный генератор Н. Г. Славянова и образцы сварных соединений.
В начале 1930-х годов в связи с потребностью в более прогрессивных способах соединения металлов стала развиваться сварочная техника. В 1929 г. советский инженер-изобретатель Д. А. Дульчевский разработал способ автоматической дуговой сварки под флюсом . Под руководством академика В. П. Вологдина в 1924–1935 гг. с использованием электрической дуговой сварки были изготовлены первые отечественные котлы и корпуса судов. Сварку применяли ручную дуговую, электродами с тонкими ионизирующими покрытиями.
В 1935–1939 гг. стали применять легированные электроды с толстым покрытием . Их применение позволило использовать сварку в изготовлении промышленного оборудования и строительных конструкций.
Огромный вклад в развитие сварочных технологий внес киевский институт им. Е. О. Патона.
Здесь была разработана электрошлаковая сварка , изготовлены высокоскоростные сварочные машины для сварки под флюсом. Применение электрошлаковой сварки позволило заменить литые и кованые крупногабаритные изделия сварными, более технологичными.
В период Великой Отечественной войны сварка получила широкое применение в военной технике, были разработаны уникальные способы сварки броневых сталей . В послевоенное время при восстановлении народного хозяйства сварка как прогрессивный способ соединения металлов значительно вытеснила клепку.
С 1948 г. промышленное применение получили новые способы сварки: сварка в среде защитных газов, ручная, механизированная и автоматическая сварка плавящимся и неплавящимся электродом.
В 1950–1952 гг. в ЦНИИТмаше при участии МВТУ им. Н. Э. Баумана и ИЭС им. Е. О. Патона под руководством профессора К. Ф. Любавского была разработана сварка низколегированных и низкоуглеродистых сталей в среде углекислого газа . Сейчас этот способ сварки составляет 30 % объема всех сварочных работ.
В конце 1950-х годов французскими учеными был разработан новый вид сварки плавлением – электронно-лучевой , получивший широкое применение в производстве микроэлектронной техники и выплавке особо чистых сплавов.
Впервые в мире советские космонавты В. Кубасов и Г. Шонин в 1969 г. осуществили автоматическую сварку и резку металлов в открытом космосе . В 1984 г. космонавты С. Савицкая и В. Джанибеков провели ручную сварку, резку и пайку различных металлов в космосе. В настоящее время сварку и резку металлов проводят в космосе, под водой, в вакууме и на открытом воздухе.
Открытая и разработанная Н. Н. Бенардосом в 1887 г. контактная и шовная сварка  широко применяется в настоящее время. Кузов современного автомобиля, состоящий из тонколистовых штампованных деталей, сварен более чем в 10 тысячах точек. Самолет насчитывает уже несколько миллионов сварных точек или «электрозаклепок».
Наряду с дуговой электросваркой, к сварке плавлением относят газовую сварку. Для плавления металлов используют тепло пламени смеси газов, сжигаемых с помощью горелки. Газовая сварка классифицируется по виду применяемого горючего газа: ацетиленокислородная, керосино-кислородная, бензино-кислородная, пропанобутано-кислородная, водород-кислородная и др.
Способ газовой сварки был разработан в конце XIX столетия, когда началось промышленное производство кислорода, водорода и ацетилена. В этот период газовая сварка являлась основным способом сварки металлов и обеспечивала получение наиболее прочных соединений. Наибольшее развитие газовая сварка с применением ацетилена получила в период развития сети железных дорог и вагоностроения. Необходимо было производить большой объем работ по сборке вагонов, паровозов. В настоящее время газовая сварка применяется во многих отраслях промышленности: при изготовлении и ремонте изделий из тонколистовой стали, сварке цветных металлов и их сплавов, а также при наплавочных работах. Разновидностью газопламенной обработки является газотермическая резка , широко применяемая на этапе заготовительных операций при раскрое металлов и резке металлолома.
Несмотря на многочисленные способы применения механизированных и автоматизированных видов сварки, масштабы применения ручной дуговой электросварки увеличиваются. Это связано с созданием новых материалов и оборудования для производственных процессов. На эти позиции ручную сварку выдвинули высокая скорость соединений металлов и технологичность процесса.
Начальной и конечной операцией создания современных конструкций часто является ручная дуговая сварка.

Глава 1
Термический класс сварки

Классификация видов сварки плавлением

Термический класс сварки включает все виды сварки с использованием тепловой энергии. 
Сварку плавлением в зависимости от различных способов, характера источников нагрева и расплавления свариваемых кромок деталей можно разделить на следующие основные виды:
• газовая сварка; 
• электрическая дуговая сварка; 
• электрошлаковая сварка; 
• электронно-лучевая сварка; 
• плазменная сварка; 
• лазерная сварка; 
• термитная сварка. 
Этот класс характеризуется тем, что сварка осуществляется плавлением кромок соединяемых частей . При этом образуется ванна расплавленного металла . После отвода источника нагрева металл сварочной ванны кристаллизуется и образуется сварной шов , соединяющий свариваемые части. Сварка – сложный и быстропротекающий физико-химический процесс образования соединения материалов. Подготовка заготовок и продуманная технология делают сварку легкой, быстрой.
Из курса физики нам известно, что состояние любого вещества характеризуется взаимосвязью молекул и атомов. Различают четыре основные состояния материи:
• твердое; 
• жидкое; 
• газообразное; 
• плазму. 
Твердое тело представляет собой «агрегат» атомов, находящихся во взаимодействии, а его физические характеристики определяются их взаимным расположением (кристаллической решеткой) и химическими связями, действующими между ними.
Соединение сваркой твердых тел можно представить как образование прочных и устойчивых химических связей между атомами соединяемых элементов. Для получения прочного соединения твердых тел необходимо их сблизить до возникновения межатомных связей .
В твердом и жидком состоянии расстояние между молекулами и атомами очень мало. Этим объясняется малая сжимаемость этих веществ и их общее название – «конденсированное состояние».
В газах расстояние между молекулами значительно больше, поэтому газы сравнительно легко сжимать под воздействием внешнего давления.
Различие в электропроводности твердых, жидких и газообразных веществ также объясняется различием расстояний между атомами и молекулами. В твердых и жидких веществах крайние электроны, далеко отстоящие от ядер своих атомов, легко теряют связь с ядром. Благодаря этому появляются свободные электроны , легко перемещающиеся по объему вещества. Такие свободные электроны называются электронами проводимости  и являются носителями тока в проводниках. В газах электроны притягиваются только к своим ядрам, поэтому при нормальных условиях газы электрический ток не проводят.
Вся история человечества связана с освоением энергии, в частности тепловой энергии. От древнего пламени костра до управления потоками света в лазерном луче – вот история технологии. В таблице 1 приведены данные о плотности потоков тепловой энергии и минимально достижимых площадях нагрева материалов, т. е. фокусировке потоков энергии в пятно нагрева .

Таблица 1 
Энергетические свойства источников тепла

Классификацию сварки можно провести по степени механизации процессов . Тогда выделяют сварку: ручную, механизированную (полуавтоматическую), автоматическую.
Ручная сварка  производится оператором (сварщиком) с помощью инструмента вручную, без применения механизмов.
Механизированная сварка  выполняется оператором при помощи устройства (машины или механизма), подающего электродную проволоку в зону сварки.
Автоматическая сварка  осуществляется без участия человека. При этом механизируются операции по получению сварного шва по заданной программе.
По способу защиты металла  различают: сварку в воздухе, в вакууме, в среде защитных газов, под слоем флюса, в пене и т. п.
Общая схема методов сварки плавления (рис. 1) может быть представлена рядом последовательных стадий состояния металла в зоне сварки:
1 – элементы собраны под сварку  и закреплены в необходимом положении относительно друг друга. Между элементами остается зазор. В зоне стыка полностью отсутствуют химические связи;
2 – на поверхность металла в зоне стыка воздействуют мощным концентрированным потоком тепловой энергии Q. Подведенный тепловой поток нагревает кромки материала выше температуры плавления. Расплавленный металл обеих кромок сливается, образуется общая ванночка из жидкого металла (сварочная ванна). Ванночка удерживается на частично оплавленных кромках. Зазор между заготовками исчезает. Химические связи в жидком металле близки к химическим связям твердого тела, поэтому эту стадию принято называть образованием физического контакта ;
3 – при прекращении теплового воздействия на кромки свариваемых элементов (выключение источника тепла или перемещение его вдоль кромок) зона сварки охлаждается за счет передачи теплоты вглубь свариваемых элементов и в окружающую среду. Происходит кристаллизация сварочной ванны с образованием литой структуры шва , т. е. создание химических связей по сечению свариваемого соединения. Частично оплавленные зерна основного металла на границе сварочной ванны являются основанием для «пристройки» атомов из жидкости для кристаллизации шва.

Рис. 1.  Схема стадий образования соединения сваркой плавлением: 
1 – сборка под сварку; 
2 – образование сварочной ванны под воздействием теплоты; 
3 – кристаллизация ванны с образованием сварного соединения; 
4 – макроструктура зерен на границе шва. 

Рассмотрим основные виды сварки плавлением.

Газовая сварка

Газовой сваркой  называется сварка плавлением с использованием теплоты горючих газов.
Для плавления металлов используют тепло пламени смеси газов и кислорода, сжигаемых с помощью специальной горелки.
Газовая сварка классифицируется по виду применяемого горючего газа:
• ацетилено-кислородная сварка; 
• керосино-кислородная сварка; 
• бензино-кислородная сварка; 
• пропанобутано-кислородная сварка. 
Сущность процесса газовой сварки (см. схему газовой сварки, рис. 2) заключается в том, что свариваемый и присадочный металлы расплавляются за счет тепла пламени  (4) горелки . При этом кромки свариваемых заготовок  (1) расплавляются, а зазор между ними заполняется присадочным металлом  (2), который вводят в пламя горелки  (3) извне. В качестве горючих газов применяются природные газы, нефтяные газы, а также водород, ацетилен, пары керосина и бензина и др. Наибольшее распространение получили сварка с использованием ацетилена, паров бензина, паров керосина, пропанобутана.

Рис. 2. 
Схема газовой сварки 

В процессе сварки металл соприкасается с газами пламени, а вне пламени – с окружающей средой (воздухом) или специально созданной газовой средой . В результате металл подвергается значительным изменениям. Наибольшим изменениям подвергается металл, расположенный в зоне сварочной ванны. При этом изменяется содержание примесей и легирующих добавок в металле. Одновременно металл в зоне сварки обогащается кислородом, водородом, азотом, углеродом. Для предотвращения процессов окисления и извлечения из жидкого металла сварочной ванны окислов и неметаллических включений применяются флюсы .
Расплавленный металл сварочной ванны представляет сплав основного и присадочного металлов. По мере удаления пламени горелки металл кристаллизуется в остывающей части ванны. Закристаллизовавшийся металл сварочной ванны образует металл шва. Шов имеет структуру литого металла с вытянутыми укрупненными кристаллами, направленными к центру шва.
В настоящее время в промышленности из множества видов газопламенной обработки металлов наибольшее применение получили газовая сварка, газовая пайка, кислородная резка.

Газы, применяемые при газовой сварке, резке и пайке

Кислород (О2)

При нормальном атмосферном давлении и обычной температуре кислород представляет собой газ без запаха, цвета и вкуса. Он несколько тяжелее атмосферного воздуха. При нормальном атмосферном давлении и температуре 20 °C масса 1 м3 кислорода равна 1,33 кг. Горючие газы при сгорании с кислородом дают высокую температуру. Сам кислород не горюч, не токсичен, не взрывоопасен, но является сильнейшим окислителем, резко увеличивающим способность других веществ к горению, а при определенных условиях – к взрыву.
В земной атмосфере находится около 20 % кислорода. Поэтому кислород получают из атмосферного воздуха на специальных установках методом ректификации . Например, на кислородных станциях воздух очищают от пыли, влаги и углекислоты. Далее очищенный воздух сжимается компрессором до высокого давления и охлаждается в теплообменниках до сжиженного состояния. Жидкий воздух разделяют на кислород и азот. Процесс разделения происходит вследствие того, что температура кипения жидкого азота (–195,8 °C) ниже температуры кипения жидкого кислорода (–182,96 °C). Азот, являясь более легкокипящим, испаряется первым. С помощью кислородного компрессора чистый кислород подают под давлением 15 МПа (150 кгс/см2) в специальные кислородные баллоны. Полученный технический кислород должен соответствовать ГОСТу 5583–78. В зависимости от сорта содержание чистого кислорода колеблется от 99,5 до 99,7 %. Баллоны с кислородом окрашивают в синий цвет с черной надписью «кислород» и используют только для кислорода. Температурный диапазон использования сжатого кислорода от –50 до +30 °C. Запрещается хранение и транспортировка наполненных баллонов при температуре выше 60 °C.
Баллоны возвращают на заполнение с остаточным давлением не ниже 0,05 МПа (0,5 кгс/см2).

Водород (H2)

Газ без цвета и запаха. В смеси с кислородом водород образует взрывчатую смесь – гремучий газ . Водород требует строгого соблюдения правил техники безопасности, т. к. он способен проникать через мельчайшие поры, образовывая с воздухом взрывчатые смеси. Водород получают электролизом воды или в специальных водородных генераторах путем воздействия серной кислоты на железную стружку или цинк. Водород хранится и транспортируется в стальных баллонах при максимальном давлении 15 МПа (150 кгс/см2). Температура его сжижения –253 °C. При сгорании водорода пламя не светится, и его зоны не имеют четких границ.

Пиролизный газ

Пиролизный газ представляет собой смесь газообразных продуктов термического разложения нефти, нефтепродуктов или мазута. Содержит вредные сернистые соединения, которые вызывают коррозию мундштука горелки. Эта смесь пиролизного газа требует тщательной очистки от сернистых соединений.

Нефтяной газ

Нефтяной газ представляет собой смесь горючих газов, являющихся побочным продуктом нефтеперерабатывающих заводов. Его применяют для сварки, резки и пайки сталей толщиной до 3 мм, а также сварки цветных металлов.

Природный газ

Природный газ получают на газовых месторождениях. Природный газ состоит в основном из метана (до 82–93 %). Хранят и транспортируют в баллонах, в сжиженном виде. Для определения утечек в газ добавляют специальные ароматизаторы.

Пропанобутановая смесь

Пропанобутановую смесь получают при добыче и переработке естественных нефтяных газов и нефти. Хранят и транспортируют в сжиженном состоянии в баллонах емкостью 40 или 55 литров при давлении 1,6–1,7 МПа. Жидкой смесью наполняют только половину баллона, т. к. при нагреве смесь значительно расширяется, что может привести к взрыву.
Пропан и бутан тяжелее воздуха и имеют неприятный запах.

Керосин и бензин

При газопламенной обработке металлов керосин или бензин используют в виде паров.
Для этой цели в горелке или в резаке имеются специальные испарители, нагревающиеся от вспомогательного пламени или электрическим током.

Ацетилен

Ацетилен получил наибольшее распространение благодаря таким важным свойствам, как высокая теплотворная способность, высокая температура пламени. Ацетилен представляет собой химическое соединение углерода и водорода (С2Н2). Это бесцветный газ с характерным запахом из-за наличия примесей сероводорода, фтористого водорода и пр. Длительное вдыхание ацетилена вызывает тошноту, головокружение, иногда сильное общее отравление. Ацетилен легче воздуха. Ацетилен относят к взрывоопасным газам. Температура воспламенения лежит в пределах 240–630 °C и зависит от давления и присутствия различных примесей. Ацетилен взрывоопасен при давлении 0,145–0,16 МПа; при нагревании в диапазоне 240–630 °C и при наличии 2–80 % ацетилена в смеси с воздухом; при наличии 2–93 % ацетилена в смеси с кислородом.
Взрыв ацетиленокислородной или ацетиленовоздушной смеси может произойти от искры, пламени или при сильном местном нагреве. Потому ацетилен требует осторожности и строгого соблюдения правил безопасности.
При промышленном способе ацетилен получают воздействием электродугового разряда на жидкое горючее: нефть, керосин. Применяется также способ промышленного производства ацетилена из природного газа метана. Для этого смесь метана с кислородом сжигают в специальных реакторах при температуре 1300–1500 °C. Из полученной смеси газов с помощью растворителя извлекается концентрированный ацетилен. Получение ацетилена промышленным способом на 30–40 % дешевле, чем получение его из карбида кальция. Ацетилен, полученный промышленным способом, закачивают в баллоны, где он находится в порах специальной массы, растворенной в ацетоне.
Рабочее давление сжатого ацетилена не должно превышать 1,9 МПа (19 кгс/см2).
Остаточное давление в наполненном баллоне при температуре 20 °C должно быть в пределах 0,05–0,1 МПа (0,5–1,0 кгс/см2). Для сохранности наполнительной массы запрещается отбирать ацетилен из баллона со скоростью более 1700 дм3/час.
Ацетилен также получают из карбида кальция в специальных генераторах путем взаимодействия его с водой. Потребительские свойства ацетилена не зависят от способа получения. Карбид кальция получают путем сплавления кокса и обожженной извести в электродуговых печах при температуре 1900–2300 °C. Расплавленный карбид кальция сливают из печи в формы-изложницы, где происходит его остывание. После дробления карбид кальция сортируют на куски размером 2–80 мм. Карбид кальция очень активно впитывает влагу из воздуха, поэтому его хранят и транспортируют в герметически закрытой таре: барабанах или банках из кровельной жести по 40/100/130 кг.
Из 1 кг карбида кальция получают 235–280 литров ацетилена. Теоретически на 1 кг карбида кальция необходимо 0,56 литра воды. Практически берут 5–20 литров воды для охлаждения газогенератора и безопасной работы. Запрещается для исключения взрыва использовать мелкий и пылевидный карбид кальция.
В таблице 2 приведены характеристики газов, применяемых для газовой сварки.

Таблица 2 
Характеристики газов, применяемых для газовой сварки 

Материалы и оборудование для газопламенной обработки металлов:

• кислород и горючий газ в специальных баллонах или генератор для его получения;
• аппаратура управления (редукторы, манометры);
• сварочные горелки или резаки в комплектах со шлангами для подачи газов;
• присадочная проволока для сварки или наплавки;
• очки-светофильтры с затемненными стеклами;
• набор инструментов: молоток, набор ключей для баллонов и горелок, стальные щетки, костюм для сварщика и перчатки;
• сварочный стол или приспособления для сборки и фиксации деталей;
• инструменты для измерения и разметки;
• средства пожаротушения.

Достоинства газовой сварки:

• простота и дешевизна оборудования;
• дешевые расходные материалы;
• простой способ регулирования процесса горения;
• маневренность в применении (любое положение горелки в пространстве);
• высокая технологичность использования;
• энергонезависимость от источников питания.

Недостатки газовой сварки:

• низкая эффективность нагрева;
• широкие швы и широкая зона термического влияния;
• относительно низкая производительность труда;
• трудность автоматизации процесса.

Электрическая дуговая сварка

Источником теплоты при дуговой сварке служит электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой. В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие способы дуговой сварки:
• по применяемым электродам  – дуга с плавящимся и неплавящимся электродом;
• по степени сжатия дуги  – свободная и сжатая дуга;
• по схеме подвода сварочного тока  – дуга прямого и косвенного действия;
• по роду тока  – дуга постоянного и переменного тока;
• по полярности тока  – дуга на прямой полярности и дуга на обратной стороне полярности;
• по виду статистической вольт-амперной характеристики  – дуга с падающей, возрастающей или жесткой характеристикой;
• по способу защиты сварного шва  – в среде защитного газа или под слоем флюса.
Сварочной дугой называют устойчивый длительный разряд электрического тока в газовой среде между находящимися под напряжением твердыми или жидкими проводниками (электродами) либо между электродом и изделием. 
Сварочная дуга существует при токах от десятых долей ампера до сотен ампер. Дуга характеризуется высокой плотностью тока в электропроводном газовом канале, выделением большого количества тепловой энергии и сильным световым эффектом.
Разряд является концентрированным источником теплоты и используется для расплавления металла при сварке. Дуговой разряд тока происходит в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения.
Электрические заряды в сварочной дуге переносятся положительно и отрицательно заряженными частицами. Отрицательный заряд несут электроны, а положительный и отрицательный заряды – ионы. Процесс, при котором в газе образуются положительные и отрицательные ионы, называется ионизацией , а газ называется ионизированным.
Газы, в том числе и воздух, при нормальных условиях не проводят электрического тока. Это объясняется тем, что при нормальных условиях, т. е. при нормальном атмосферном давлении и температуре воздуха 20 °C, воздушная среда состоит из нейтральных молекул и атомов, которые не являются носителями зарядов. Эти молекулы и атомы станут электропроводными в том случае, если в своем составе будут иметь электроны, которые возникают при воздействии на них электрического тока.
Для возникновения электропроводности газов они должны быть ионизированы.
Ионизацией  молекулы (атома) называется отщепление одного или нескольких электронов и превращение молекулы (атома) в положительный ион. Если молекулы (атомы) присоединяют к себе электроны, то возникают отрицательные ионы.
Ионизация газа вызывается внешними воздействиями: 
• достаточным повышением температуры;
• воздействием различных излучений;
• действием космических лучей;
• бомбардировкой молекул (атомов) газа быстрыми электронами или ионами.
Обратный ионизации процесс, при котором электроны, присоединяясь к положительному иону, образуют нейтральную молекулу (атом), называется рекомбинацией .
При обычных температурах ионизацию можно вызвать, придав уже имеющимся в газе электронам и ионам при помощи электрического поля большие скорости. Обладая большой энергией, эти частицы могут разбивать нейтральные атомы и молекулы на ионы. Кроме того, ионизацию можно вызвать, воздействуя световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами, радиоактивным излучением.
Однако, исходя из практической точки зрения и в целях безопасности использования, применяют другие способы ионизации.
Так как в металлах имеется большая концентрация свободных электронов, то можно извлечь эти электроны из объема металла. Существует несколько способов извлечения электронов из металла.
Для сварки электрической дугой имеют значение два способа:
• термоэлектронная эмиссия , при которой происходит «испарение» свободных электронов с поверхности металла благодаря высокой температуре. Чем выше температура, тем большее число свободных электронов приобретает энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера в поверхностном слое и выхода из металла.
• автоэлектронная эмиссия . При автоэлектронной эмиссии извлечение электронов из металла производится при помощи внешнего электрического поля. Приложенное извне электрическое поле изменяет потенциальный барьер у поверхности металла и облегчает выход электронов, имеющих большую энергию и могущих преодолеть этот барьер.
Ионизацию, вызванную в некотором объеме газовой среды, принято называть объемной ионизацией . Объемная ионизация, полученная благодаря нагреванию газа до очень высоких температур, называется термической ионизацией .
При высоких температурах газа значительная часть молекул обладает достаточной энергией для того, чтобы при столкновениях могло произойти разбиение нейтральных молекул на ионы. Кроме того, с повышением температуры общее число столкновений между молекулами увеличивается. При очень высоких температурах в процессе ионизации заметную роль играет излучение от электродов и излучение от газа.
Прохождение электрического тока через газы называется электрическим разрядом .
Дуговой разряд является одним из видов электрического разряда.
Существуют и другие виды электрического разряда в газах:
• искровой кратковременный разряд , который происходит при мощности источника питания, недостаточной для поддержания устойчивого дугового разряда;
• коронный разряд , возникающий в неоднородных электрических полях и проявляющийся в виде свечения ионизированного газа;
• тлеющий разряд , который возникает при низких давлениях газа (например, в газосветных трубках).
Для сварки металлов применяется, в основном, электрическая дуга прямого действия, т. е. используется дуговой разряд между изделием и электродом. В такой дуге одним электродом является металлический или угольный стержень, а вторым – свариваемое изделие.
К электродам подводится питание – электрический ток. Ток вырабатывается специальным устройством – источником питания . Источники питания вырабатывают переменный или постоянный ток. В дуге выделяют несколько областей (рис. 3):
1 – катод;
2 – катодная область;
3 – столб дуги;
4 – анодная область;
5 – анод.

Рис. 3.  Основные области электрической дуги и распределение потенциала в дуге 

Каждая из выделенных областей отличается своими физическими явлениями, протекающими в ней. Участки, непосредственно примыкающие к электродам, называют, соответственно, анодной и катодной областями . Положительный электрод – анод, а отрицательный электрод – катод. Длина анодной и катодной областей очень мала – от нескольких длин свободного пробега нейтральных атомов в катодной области – 1×10–5 см и до длины свободного пробега электрона в анодной области – 1×10–3 см. Между этими областями располагается наиболее протяженная высокотемпературная область (0,05–0,5 см) разряда – столб дуги .
Распределение электрического потенциала по длине дуги неравномерное. Возле электродов имеют место скачки падения потенциалов, вызванные условиями прохождения электрического тока на границе между ионизированным газом и металлическими электродами. Дуговой разряд обязан своим существованием процессам на катоде. Катод является «поставщиком» электронов. Причины выхода электронов – в существовании термоэлектронной и автоэлектронной эмиссии, упоминавшейся выше.
Электроны, эмитированные из катода, ускоряются под действием электрического поля. На внешней границе катода электроны сталкиваются с молекулами и атомами газа, находящегося в межэлектродном пространстве. При упругих  столкновениях при попадании электронов в молекулы повышается температура газа. При неупругих  столкновениях электроны, передавая частицам энергию, производят ионизацию газа.
В результате интенсивной термической ионизации столб дуги представляет собой ионизированный газ, состоящий из электронов и ионов – плазму . Под действием приложенного электрического поля электроны движутся к аноду, а положительно заряженные ионы – к катоду.
В результате интенсивной бомбардировки поверхностей электродов ионами и электронами происходит мгновенное разогревание металла. При этом 43–43 % общей подводимой мощности выделяется на аноде, 36–38 % выделяется на катоде, 20–21 % мощности уходит в окружающую среду через излучение и конвекцию паров и газов, а остальные потери мощности – на разбрызгивание и угар свариваемого металла. При сварке, как правило, анодом служит свариваемая деталь.
При сварке угольным электродом температура в катодной области достигает 3200 °C, в анодной области 3900 °C. При сварке металлическим электродом температура катодной области составляет 2400 °C, а анодной – 2600 °C. В столбе дуги температура достигает 6000–7000 °C.
Различная температура анодной и катодной областей используется для решения технологических задач. Например, при сварке тонколистовых металлов катодом является сама деталь, а анодом – электрод.

Зажигание (возбуждение) и горение электрической дуги

Процесс зажигания электрической дуги можно разделить на три этапа (рис. 4):
• короткое замыкание электрода на заготовку;
• отвод электрода на расстояние 3–6 мм;
• возникновение устойчивого дугового разряда.
Короткое замыкание (рис. 4а ) выполняется для разогрева торца электрода 1  и заготовки 2  в зоне контакта с электродом. После отвода электрода (рис. 4б ) с его разогретого торца (катода) под действием электрического поля начинается термоэлектрическая эмиссия электронов 3 .
Столкновение быстро движущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации 4 . По мере разогрева столба дуги и повышения кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их соударения. В результате дуговой промежуток становится электропроводным и через него начинается разряд электричества. Процесс зажигания дуги (рис. 4в ) заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда 6  с возникновением катодной области 5  и анодной области 7 .

Рис. 4.  
Схема процесса зажигания дуги 

Возможно зажигание дуги без короткого замыкания и отвода электрода с помощью высокочастотного электрического разряда через дуговой промежуток, обеспечивающий его первоначальную ионизацию. Для этого в сварочную цепь подключают на короткое время источник высокочастотного переменного тока высокого напряжения (осциллятор).
В зависимости от длины дугового разряда различают:
• короткую дугу , если ее длина 2–4 мм;
• нормальную дугу , если ее длина 4–6 мм;
• длинную дугу , при ее длине более 6 мм.
Оптимальный режим сварки обеспечивается при короткой дуге. При длинной дуге процесс сварки протекает неравномерно, с неустойчивым горением и разбрызгиванием металла. Металл, проходя через дуговой промежуток, больше окисляется и азотируется.
Специалисты рекомендуют длину дуги определять по звуку, издаваемому ею при горении. Дуга нормальной длины издает менее громкий и равномерный звук. Длинная дуга издает неравномерный и потрескивающий, более громкий звук, что легко определяется опытным путем.
Различают технологические условия горения дуги  , такие как зажигание, чувствительность к изменениям длины в определенных пределах, быстрое повторное зажигание после обрыва и необходимое проплавление металла.
Условия зажигания электрической дуги: 
• наличие электрического источника питания дуги достаточной мощности, позволяющего быстро нагреть катод до высокой температуры при возбуждении дуги;
• наличие ионизации столба дуги (в электрод вводятся элементы с низким потенциалом ионизации или применяют осцилляторы для возбуждения дуги);
• стабилизация горения столба дуги (например, вводят дроссель в цепь питания). Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи называют статической вольт-амперной характеристикой дуги.
Вольт-амперная характеристика дуги имеет три области (рис. 5):
• падающая область  I (при токах до 100 А);
• жесткая область  II (при токах 100–1000 А);
• возрастающая область  III (при токах свыше 1000 А).
Напряжение, необходимое для возбуждения дуги, зависит от рода тока (переменный или постоянный), дугового промежутка, материала электрода и его покрытия, свариваемого металла.
Дуга с падающей характеристикой (I) малоустойчива и имеет ограниченное применение, т. к. требует включения в сварочную цепь осциллятора.

Рис. 5. 
Статическая вольт-амперная характеристика дуги 

Самое широкое применение нашла дуга с жесткой (II) и возрастающей (III) характеристикой. Каждому участку дуги соответствует определенный характер переноса расплавленного электродного металла в сварочную ванну:
• I и II участок – крупнокапельный,
• III участок – мелкокапельный или струйный.
Для сохранения неизменного напряжения на дуге необходимо длину дуги поддерживать постоянной.

Материалы и оборудование для производства работ электродуговой сваркой:

• источник питания сварочной дуги;
• сварочный и питающий кабели, электрододержатель;
• принадлежности сварщика – спецкостюм, маска с защитным стеклом;
• сварочный стол или приспособления для сборки и фиксации деталей;
• инструменты для измерения и разметки;
• инструменты для зачистки швов и удаления шлаковой корки;
• средства пожаротушения.

Преимущества электродуговой сварки:

• высокая технологичность процесса;
• возможность автоматизации и механизации процессов сварки;
• меньшая по сравнению с газовой сваркой зона термического влияния;
• простота регулирования процесса сварки;
• дешевые расходные материалы (электроды);
• высокая скорость соединения деталей.

Недостатки электродуговой сварки:

• необходимость использования специальных сварочных трансформаторов или инверторов (преобразователей);
• энергозависимость (необходима электрическая сеть или генераторы);
• подготовка деталей для сборки (разделка кромок, фиксация элементов).

Электрошлаковая сварка (ЭШС)

При электрошлаковой сварке основной и электродный металлы расплавляются теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через шлаковую ванну. Шлак представляет собой расплавленный, обладающий электропроводностью флюс. Процесс электрошлаковой сварки (рис. 6) начинается с образования шлаковой ванны  (4) в пространстве между кромками основного металла  (1) и формирующими устройствами  (3) типа ползунов или пластин, охлаждаемыми водой, путем расплавления флюса электрической дугой, возбуждаемой между сварочной проволокой  (2) и вводной планкой  (6).
После накопления определенного количества жидкого шлака дуга шунтируется шлаком и гаснет, а подача проволоки и подвод тока продолжаются. При прохождении тока через расплавленный шлак, являющийся токопроводящим электролитом, в нем выделяется теплота, достаточная для поддержания высокой температуры шлака – до 2000 °C и расплавления основного металла и электродной проволоки. За счет разницы в плотности электродный металл (плотность жидкого металла значительно больше плотности компонентов шлака) опускается на дно расплава, образуя металлическую ванну  (5), а расплавленный флюс находится в верхней части расплава, образуя шлаковую ванну  (4).
Шлаковая ванна, находясь сверху, защищает жидкий металл от окисления воздухом.
В начальном и конечном участках образуются дефекты. В начале шва – непровар кромок , а в конце шва – усадочная раковина  и неметаллические соединения .
Наиболее экономически выгодным является применение электрошлаковой сварки при изготовлении толстостенных конструкций в тяжелом машиностроении, для изготовления ковано-сварных и лито-сварных конструкций, таких как станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых двигателей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления.

Рис. 6. 
Схема процесса электрошлаковой сварки: 
1 – кромки основного металла; 
2 – сварочная проволока; 
3 – формирующиеся устройства; 
4 – шлаковая ванна; 
5 – металлическая ванна; 
6 – водная планка. 

Технологические возможности ЭШС позволяют сваривать детали толщиной от 30–40 до 3000 мм. Для сварки используют проволоку, плавящиеся мундштуки, пластинчатые электроды, ленточные электроды. В качестве источников питания применяют специальные сварочные трансформаторы с жесткой внешней характеристикой, напряжением 30–55 В и токами от 50 А до 3000 А.

Аппараты для ЭШС условно разделяют на следующие типы:

• рельсовые аппараты, перемещающиеся по направляющим рельсам;
• безрельсовые аппараты, перемещающиеся непосредственно по изделию;
• аппараты подвесного типа, не имеющие ходового механизма, что делает их простыми и портативными.

Оборудование, необходимое для ЭШС:

• специальные сварочные аппараты;
• аппаратные шкафы;
• аппараты для подачи электродной проволоки или ленты;
• устройства для формирования сварочного шва;
• устройства фиксации и перемещения изделий.

Преимущества ЭШС:

• возможность получения за один проход сварных соединений практически любой толщины, от 25 и до 3000 мм;
• отсутствие необходимой специальной подготовки кромок свариваемых деталей;
• расход флюса в десятки раз меньший, чем при обычной электродуговой сварке;
• возможность применения электродов самой различной формы;
• улучшенная макроструктура шва (высокая однородность металла сварной ванны);
• высокая производительность процесса;
• сокращенный расход электроэнергии;
• малая зависимость зазора между соединяемыми деталями от толщины свариваемого металла и отсутствие подрезов;
• использование ЭШС для переплавки стали из отходов и получения отливок;
• возможность регулирования процесса при токах сварки от 0,2 А/мм2 и до 300 А/мм2 по сечению электрода;
• надежная защита сварочной ванны от воздуха;
• возможность получения за один проход швов переменной толщины.

Недостатки ЭШС:

• возможность сварки только в вертикальном или почти вертикальном положении свариваемых плоскостей (с отклонением от вертикали не более 30°);
• высокая степень перемешивания основного и электродного металлов;
• наличие крупнозернистой структуры в металле шва и в переходной зоне;
• необходимость изготовления и установки перед сваркой технологических деталей (планки, формирующие устройства, стартовые карманы);
• недопустимость остановки электрошлакового процесса до окончания сварки, т. к. при этом образуются неустранимые дефекты.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС)

Электронно-лучевая сварка основана на использовании энергии, высвобождаемой при торможении потока ускоренных электронов в свариваемых материалах.
Преобразование кинетической энергии электронов в тепловую энергию характеризуется высоким к.п.д. При электронно-лучевой сварке в качестве источника нагрева используется поток электронов, движущихся в высоком вакууме. Для сварки необходимо получить свободные электроны, сконцентрировать их и сообщить им скорость с целью увеличения энергии. Электронный луч, используемый для нагрева металла при сварке, создается в специальном приборе – электронной пушке. 
Электронная пушка (рис. 7, 8) представляет собой устройство, с помощью которого получают электронные пучки с малым диаметром пятна и высокой плотностью энергии в нем. Пушка имеет катод  (1), который нагревается до рабочей температуры с помощью нагревателя. Катод размещен внутри прикатодного электрода  (2). На некотором расстоянии от катода находится ускоряющий электрод  (3) с отверстием – анод. Прикатодный и ускоряющий электроды имеют форму, обеспечивающую такое строение электрического поля между ними, которое фокусирует электроны в пучок диаметром dkp, равным диаметру отверстия в аноде. Положительный потенциал ускоряющего электрода может достигать нескольких десятков киловольт, поэтому электроны, эмитированные катодом, на пути к аноду приобретают значительную скорость и энергию.
После ускоряющего электрода электроны движутся равномерно. Электроны имеют одинаковый заряд, поэтому они отталкиваются друг от друга. Вследствие этого диаметр пучка увеличивается, а плотность энергии в пучке уменьшается.
Для увеличения плотности энергии в пучке после выхода электронов из анода их фокусируют магнитным полем в специальной магнитной линзе  (4). Сфокусированный поток электронов, попадая на поверхность свариваемых кромок, тормозится. При этом кинетическая энергия превращается в теплоту, идущую на разогрев металла  (6) при сварке. Для перемещения луча по поверхности свариваемого изделия на пути электронов помещают магнитную отклоняющую систему  (5), позволяющую устанавливать электронный луч точно по линии стыка свариваемых кромок.

Рис. 7 .
Схема устройства формирования электронного луча 

Для обеспечения свободного движения электронов от катода к аноду и далее к изделию, для предотвращения «отравления» катода, а также для устранения возможности возникновения дугового разряда между электродами в камере электронно-лучевой установки создается высокий вакуум – примерно 10–4 мм рт. ст.
Движение электронов в вакууме не сопровождается световыми эффектами, и потому луч не виден, но место воздействия луча на свариваемый материал можно наблюдать по свечению металла за счет его разогрева.
Электронно-лучевая сварка позволяет сваривать тугоплавкие металлы, которые обычными методами не свариваются, например вольфрам, молибден, ниобий, тантал.
Высокая концентрация теплоты в пятне фокуса позволяет сверлить лучом такие материалы, как сапфир, рубин, алмаз, стекло.
Незначительная ширина зоны теплового воздействия дает возможность резко уменьшить деформацию заготовок. Кроме того, за счет вакуума в камере обеспечиваются зеркальная поверхность соединения и дегазация расплавленного металла.
Малый объем литого металла и кратковременность теплового воздействия обеспечивают незначительные термические деформации свариваемых деталей, что позволяет выполнять сварные швы вблизи металлокерамических и металлостеклянных спаев, чувствительных к термоударам.

Рис. 8. 
Конструкция современной сварочной электронно-лучевой пушки: 
1 – катод; 2 – управляющий электрод; 
3 – анод; 4 – изолятор; 
5 – фокусирующая линза. 

Электронно-лучевые пушки можно разделить на типы:

• низковольтные пушки с ускорением электронов до энергии 20–30 кэВ;
• с промежуточным ускоряющим напряжением – 30–100 кэВ;
• высоковольтные пушки с энергией ускорения 100–200 кэВ.

Оборудование для ЭЛС:

• высоковольтный выпрямитель;
• стабилизатор ускоряющего напряжения;
• блок накала катода;
• модулятор;
• источник питания электромагнитных линз;
• электронно-лучевая пушка;
• вакуумная камера с вакуумной системой и люками загрузки;
• механизмы перемещения свариваемых деталей.

Преимущества ЭЛС:

• высокий к.п.д. установок ЭЛС, т. к. до 99 % кинетической энергии электронов, используемой для нагрева свариваемых деталей, переходит в тепловую энергию;
• температура в зоне сварки достигает 5000–6000 °C;
• при сварке электронным лучом теплота выделяется только в зоне сварки;
• за счет более интенсивного выделения теплоты в глубине зоны сварки получается кинжальное проплавление с отношением глубины к ширине до 20:1;
• высокая удельная мощность луча до 5–105 Вт/см2 и выше;
• фокусировка луча до диаметра 0,001 см;
• электронный луч используют для сварки, сверления, фрезерования практически любых современных материалов;
• широкий диапазон толщин заготовок (от 0,02 до 100 мм);
• высокая степень автоматизации сварочного процесса.

Недостатки ЭЛС:

• наличие специального оборудования требует подготовки высококвалифицированных кадров;
• наличие рентгеновского излучения при взаимодействии электронного луча со свариваемым материалом требует защиты оператора;
• высокая температура накала катода до 1700–2400 °C снижает срок службы катодов.

Плазменная сварка

Плазма  (от греч. plasma, букв. – вылепленное, оформленное) – частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.
Термин «плазма» ввели в 1929 г. И. Ленгмюр и Л. Тонкс. Большой вклад в развитие учения о плазме внесли советские ученые – Л. Д. Ландау, А. А. Власов, А. Д. Сахаров, американские ученые И. Е. Тамм, Л. Спитцер.
Современные ученые выделяют плазму как четвертое состояние вещества, наряду с газом, жидкостью и твердыми телами. В состоянии плазмы находится большая часть вещества Вселенной – звезды, звездные атмосферы, межзвездная среда. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра, проявления которого мы наблюдаем в виде полярных сияний.
При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации , т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превратятся в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.
Свободные заряженные частицы, особенно электроны, легко перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в состоянии равновесия пространственные заряды входящих в состав плазмы отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать друг друга так, чтобы полное поле внутри плазмы было равно нулю. Именно отсюда вытекает необходимость практически точного равенства плотностей электронов и ионов в плазме – ее квазинейтральности. Нарушение квазинейтральности плазмы в объеме, ею занимаемом, ведет к немедленному появлению сильных электрических полей пространственных зарядов, тут же восстанавливающих квазинейтральность.
Принято выделять два типа плазмы:  
• низкотемпературная плазма с температурой внутри её ниже 105 К;
• высокотемпературная плазма с температурой выше 106–108 К.
На сегодняшний день плазму получают следующими способами:
• электрическим разрядом в газах (дуговой, искровой, тлеющий);
• в процессах горения и взрыва.
Плазма обладает так называемыми коллективными процессами . Ее можно рассматривать как упругую среду, в которой легко возбуждаются и распространяются различные шумы, колебания и волны. Причем плазма обладает наличием собственных колебаний и волн. Таким образом, плазма резко отличается от газов. Например, электропроводность полностью ионизированной плазмы превосходит электропроводность серебра. Поэтому плазму можно рассматривать как идеальный проводник.
Плазменная технология  подразумевает различные методы обработки и получения материалов с использованием плазменной струи или плазменной дуги.
Наиболее широкое распространение получили атмосферные (при нормальном давлении) плазменные методы обработки материалов – резание, напыление, наплавка, сварка, выращивание монокристаллов.
В 1980-х годах эффективное развитие получили ионно-плазменные технологии . Процессы обработки материалов с помощью ионно-плазменной технологии реализуются в вакууме с помощью плазменных ускорителей. Благодаря этому удается наносить сверхтвердые, жаростойкие, коррозионно-стойкие покрытия.
Плазму получают в специальных устройствах – плазмотронах. Плазмотрон  – устройство для создания плотной (с давлением порядка атмосферного) низкотемпературной плазмы (до 104 К) с помощью электрического разряда в газах, дающее плазменный поток.
Принцип работы плазмотрона заключается в следующем: холодный газ непрерывным потоком продувают через область, где горит стационарный разряд. Газ нагревается, ионизируется, превращается в плазму, которая истекает в виде плазменной струи.
На практике применяют следующие виды плазмотронов,   работающих:
• на дуговом разряде; 
• пеннинг-разряде; 
• ВЧ и СВЧ-разрядах (высоко– и сверхвысокочастотных); 
• с ионизацией газа электронным пучком; 
• фокусировкой оптического разряда с помощью лазера. 
Наибольшее практическое применение получили плазмотроны на дуговом электрическом разряде. Дуговой плазмотрон может работать на постоянном или переменном токе. Мощность дуговых плазмотронов – от 102 до 107 Вт.
Температура на срезе сопла – 3000–20 000 °C. Скорость истечения струи 1–104 м/с, промышленный к.п. д – 50–90 %. Плотность тока в плазмотронах достигает 100 А/мм2.
В качестве плазмообразующего газа используют аргон  (температура плазмы – 15000–30000 °C), азот (температура плазмы – 10000–15000 °C) или смесь газов , а также водяной пар  (температура плазмы до 10000 °C).
Применяют два основных плазменных источника нагрева для сварки:
• плазменную струю , выделенную из столба косвенной дуги;
• плазменную дугу , совмещенную с плазменной струей.
Соответственно применяют два типа плазменных горелок.
В горелках (рис. 9а) для получения плазменной струи  дуга  (1) горит между вольфрамовым электродом  (2) и соплом  (4), к которому подключен положительный полюс источника тока. Электрод изолирован от корпуса горелки керамической прокладкой  (3). Сопло интенсивно охлаждается водой. Из сопла выходит яркосветящаяся плазменная струя  (5). Горелка питается током прямой полярности от источников с падающей характеристикой.
Плазменная струя представляет собой независимый источник теплоты, позволяющий в широких пределах изменять степень нагрева и глубину проплавления поверхности заготовок. Тепловая мощность плазменной струи ограничена, ее применяют для резки и сварки тонких металлических листов и диэлектрических материалов, а также для напыления тугоплавких материалов на поверхность заготовок.
Горелки, предназначенные для сварки, снабжены вторым концентрическим соплом  (6), через которое подается защитный газ. Сопло электрически нейтрально и служит для сжатия и стабилизации дуги.
Сжатие столба происходит следующим образом: рабочий газ, проходя через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла плазмотрона в виде плазменной струи.
Плазменная струя имеет форму ярко выраженного конуса (рис. 9а) с вершиной, обращенной к изделию и окруженной факелом.
Устройство горелок для получения плазменной дуги  (рис. 9б) принципиально не отличается от устройства горелок первого типа. Только дуга горит между электродом и изделием.
Процесс возбуждения плазменной дуги между электродом и изделием осуществить очень трудно. Поэтому дуга вначале возбуждается между электродом и соплом (дежурная дуга), а затем при касании ее факела изделия происходит автоматическое зажигание основной дуги между электродом и изделием. Для этого к соплу подключен токопровод от положительного полюса источника тока.
Плазменная дуга обладает большей тепловой мощностью по сравнению с плазменной струей, т. к. в изделие вводится дополнительное тепло от электрического тока дуги. Плотность теплового потока плазмотрона в десятки раз больше теплового потока при сварке плавящимся электродом.
Различают следующие виды плазменной технологии: 
• плазменная сварка со сквозным проплавлением (толщина материала свыше 3 мм);
• плазменная сварка плавлением (толщина материала 1–3 мм);
• микроплазменная сварка (толщина материала 0,01–1 мм).
На рисунке 10 представлена конструкция микроплазменной горелки.

Оборудование для плазменно-дуговой сварки, резки, напыления:

• источник питания плазменной дуги с вертикальной вольт-амперной характеристикой;
• плазменная горелка-плазмотрон;
• системы подачи газа и охлаждения горелки;
• порошковый питатель (для напыления);
• устройства перемещения и фиксации деталей;
• система приточно-вытяжной вентиляции.

Преимущества плазменной технологии:

• высокая концентрация теплоты;
• высокая стабильность горения, что обеспечивает лучшее качество сварных швов;
• возможность сварки металлов до 10 мм без разделки кромок и применения присадочных материалов;
• возможность вести сварку на низких токах 0,1–25 А, в режиме микроплазменной сварки листов металла толщиной 0,01–0,8 мм;
• при увеличении тока дуги и расхода газа проникающая плазменная дуга позволяет вести резку любых современных материалов;
• введением в плазменную дугу присадочных металлов производят напыление, наплавку любых металлов, от легкоплавких и до тугоплавких;
• возможность сваривать металлы с неметаллами;
• минимальная, по сравнению с другими способами, зона термического влияния;
• более низкие термические деформации по сравнению с другими видами сварки;
• возможность обработки (сварка, напыление, резка) тугоплавких, жаропрочных металлов;
• пониженный расход защитных газов по сравнению с аргонно-дуговой сваркой;
• высокотехнологичный процесс, возможность автоматизации.

Рис. 9. 
Схема получения плазменных источников нагрева: 
а – плазменная струя, выделенная из дуги; б – плазменная дуга, совмещенная с плазменной струей. 

Рис. 10.  Конструкция микроплазменной горелки: 
1 – корпус горелки; 2 – втулка керамическая; 3 – зажимная цанга; 4 – вольфрамовый электрод; 5 – металлическое сопло; 6 – керамическое сопло; 7 – металлический корпус (неразъемный); 8 – керамическая изоляционная втулка; 9 – пружина; 10 – верхняя часть корпуса; 11 – кольцо опорное; 12 – гайка для зажима цанги; 13, 14 – винт и головка для регулировки зазора; 15 – защитный колпачок; 16 – кнопка для перемещения электрода к соплу. 

Недостатки плазменной технологии:

• высокочастотный шум в комбинации с ультразвуком;
• электромагнитное излучение оптического диапазона (УФ, ИК, видимый спектр);
• ионизация воздуха;
• выделение паров материала в виде аэрозолей;
• недолговечность сопла плазменной горелки вследствие высокотемпературной нагрузки;
• сложность аппаратуры требует подготовки высоко-квалифицированного персонала.

Лазерная сварка

Лазер или ОКГ – оптический квантовый генератор когерентного монохроматического излучения.  Что означают эти понятия? Придется вспомнить физику.
Современные понятия в физике наделяют элементарные частицы света (фотоны) свойствами либо волны, либо корпускул (частиц), так как свет проявляет свойства волны в одном случае – при явлениях интерференции  и дифракции . В другом случае свет проявляет квантовые свойства . Например, в случае явления фотоэффекта о свете можно говорить, что он состоит из частичек, т. е. квантов. Однако квантовый и волновой подходы к природе света не противоречат свойствам света, а успешно дополняют друг друга.
В соответствии с постулатами квантовой физики любое вещество состоит из атомов и молекул. Каждая система атомов (молекул) обладает изначально запасами внутренней энергии. Атомы и молекулы вещества образуют так называемые микросистемы .
Микросистемы подчиняются законам квантовой механики и обладают основным свойством квантовых систем – дискретностью  (т. е. прерывистостью) их энергетических состояний. Иначе говоря, энергия этих микросистем изменяется как бы скачками и принимает лишь некоторые определенные значения – энергетические уровни . Атомы (молекулы) веществ в микросистемах тоже находятся на определенных уровнях энергии, а переход с одного уровня на другой совершается мгновенно, скачком. Переход атома на верхний уровень сопровождается поглощением фотона света (т. е. кванта), а при переходе атома на нижний уровень энергии – выбросом фотона света или его испусканием. При этом энергия поглощенного испускаемого фотона равна разности энергий уровней атома, между которыми совершается квантовый скачок.
При естественных условиях атомы вещества самопроизвольно (спонтанно) переходят с уровня на уровень, излучая или поглощая кванты света – фотоны, например, при излучении света в электрической лампочке.
Предположим, имеется вещество, состоящее из атомов с энергетическими уровнями Е1, и Е2, причем Е1 меньше Е2. При облучении вещества, атомы которого находятся на уровне Е2, фотонами с энергией Е=(Е2 – Е,) атомы вещества могут перейти обратно на уровень Е1. При переходе происходит выброс фотонов, т. е. вынужденное  излучение света. Появившийся новый фотон света будет точной копией того фотона, который вызвал его появление. Это явление и есть когерентность . Далее появление нового фотона света приводит к образованию двух таких же фотонов (рис. 11).

Рис. 11. 
Схема поглощения кванта света (а) и вынужденного испускания света (б) 

При определенных условиях, если среда является активной, процессы вынужденного излучения фотонов преобладают над процессами поглощения, процесс переходит в лавинообразное испускание вторичных фотонов. Но фотоны света испускаются во всех направлениях. Чтобы упорядочить процесс генерации лазерного излучения в заданном направлении, используют оптические резонаторы. Оптический резонатор  – это два зеркала с общей оптической осью, которая фиксирует в пространстве направление лазерного луча.
Направление генерации лазерного излучения обозначено на рис. 12 стрелкой.

Рис. 12. 
Развитие фотонной лавины вдоль оси резонатора О—О: 
а – начало процесса; б – конец процесса 

Спонтанные фотоны, случайно родившиеся в направлении О—О, будут проходить внутри активного элемента относительно длинный путь, который многократно увеличивается вследствие отражения от зеркал резонатора. Взаимодействуя с возбужденными активными центрами, эти фотоны, набирая энергию, инициируют мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которые образуют лазерный луч. Спонтанные фотоны, которые родились в других направлениях, равно как и соответствующие им лавины вторичных фотонов, пройдут внутри активного элемента сравнительно короткий путь и выйдут за его пределы.
Таким образом, зеркала оптического резонатора выделяют в пространстве определенное направление, вдоль которого реализуются наиболее благоприятные условия для развития фотонных лавин. Это и есть направление лазерного луча, который выходит из резонатора через одно из зеркал. Для облегчения процесса выхода одно из зеркал делают частично прозрачным для лазерного излучения.
Принципиальная схема лазера проста и показана на рисунке 13.
Теперь осталось ответить на вопрос о монохроматичности лазерного излучения.
По-гречески – «монос» означает «один», а «хромос» значит цвет. Таким образом, монохроматичность означает, что луч лазера – одноцветный. В физическом плане высокая монохроматичность проявляется в том, что луч лазера имеет практически одну длину волны. Элементарные волны света («волновые цуги») кроме монохроматичности идеально когерентны, т. е. распространяются в одном и том же направлении, имеют одинаковую длину волны и находятся в фазе друг с другом.
Высокая степень когерентности позволяет сфокусировать лазерный луч в пятно, равное длине волны излучения – т. е. порядка 1–10 микрон.
Если мощность лазера, например на основе СО2–1 кВт, сфокусировать на площадке диаметром в 1 мм, то получим интенсивность лазерного луча 105 Вт/см2.
Эта очень высокая концентрация тепловой энергии позволяет испарять все земные элементы и естественно сваривать при определенных условиях металлы. Современные лазерные установки способны выстреливать эту колоссальную мощность за доли секунды в импульсе.
Остается добавить, что в качестве активных сред можно использовать:
• кристаллы (искусственные или естественные);
• специальные стекла;
• полупроводники;
• жидкие среды (растворы специальных красителей);
• газовые среды.
В соответствии с используемой активной средой лазеры подразделяют на твердотельные, жидкостные  и газовые .

Рис. 13. 
Принципиальная схема оптического лазера: 
1 – активный элемент; 
2 – непрозрачное зеркало; 
3 – полупрозрачное зеркало; 
4 – устройство накачки. 

Вернемся к рисунку 13. Для чего используется накачка и что это такое? Когда говорят о накачке, то подразумевают введение энергии извне внутрь квантовой системы для возбуждения энергетических уровней, о чем говорилось выше. Можно еще сказать, что накачка необходима для возбуждения активной среды лазера.
Энергетическая накачка активных элементов лазера производится в импульсном или постоянном режиме. В импульсном режиме используются специальные лампы-вспышки , а в постоянном режиме – специальные лампы-осветители .
В сварочной технике применяют, в основном, твердотельные лазеры на кристаллах неодима с гранатом, неодимовых стеклах, на кристаллах рубина. В них применяется оптическая накачка с помощью ксеноновых ламп .
Используются для сварки и газовые лазеры. Мощные газовые лазеры изготавливают на основе газовых смесей с применением углекислого газа – СО2. Для газовых лазеров применяют в качестве энергетической накачки электрический высоковольтный разряд.

Оборудование для лазерной сварки и резки:

• высоковольтный выпрямитель для питания ламп накачки;
• блок конденсаторов;
• блок поджига газового разряда;
• собственно лазерная головка (активный элемент, отражатель, лампы накачки);
• оптическая система для фокусировки, юстировки (настройки) и наблюдения;
• система охлаждения установки;
• система перемещения, фиксации и контроля свариваемых деталей;
• система защиты персонала от действия лазерного излучения.
На рисунке 14 представлена схема оптической системы лазерной головки. Резонатор лазера образован двумя сферическими зеркалами  (1). Между зеркалами резонатора расположены два соосно установленных осветителя, состоящих из активного элемента  (2), импульсной лампы накачки  (3) и осветительной камеры  (4) в виде стеклянного цилиндрического блока. Излучение проходит через линзы  (5, 12, 13) телескопической системы, позволяющей изменять расходимость луча лазера.
Зеркалом  (7) излучение направляется на объектив  (8), который фокусирует его на поверхность обрабатываемых деталей  (10). Защитное стекло  (9) предохраняет объектив от загрязнения продуктами взаимодействия излучения с материалом свариваемых деталей. Наводка излучения и визуальный контроль места сварки осуществляется встроенной оптической системой  (6). Осветитель  (11) служит для освещения места свариваемых деталей.

Рис. 14 .
Схема лазерной установки 

Преимущества лазерной технологии:

• высокая концентрация энергии в пятне нагрева на малой площади (доли миллиметра) позволяет сваривать миниатюрные детали с толщиной кромок от 50 микрон и выше, а также сваривать термочувствительные элементы;
• малое поперечное сечение сфокусированного луча при достаточно больших расстояниях от лазерной головки до свариваемой детали позволяет производить сварку в труднодоступных местах;
• уникальное свойство лазерного излучения проходить через твердые, прозрачные для луча материалы, позволяет производить сварку в вакууме, в газовых защитных средах;
• импульсный и непрерывный режимы излучения позволяют подводить в зону сварки строго дозированное количество энергии;
• высокая стерильность процесса сварки и отсутствие вредных выделений;
• высокая технологичность процесса;
• высокая степень автоматизации процесса сварки с применением микропроцессорной техники;
• применение лазера во всех технологических процессах обработки конструкционных материалов (резка, сварка, наплавка, прошивка отверстий) при высоких показателях качества и производительности.

Рис. 15. 
Термитный карандаш: 
1 – проволока; 2 – термит; 3 – «затравка» для зажигания 

Недостатки применения лазеров:

• относительно высокая цена аппаратуры по сравнению с другими способами сварки металлов;
• применение высокотехнологичной аппаратуры требует подготовки специалистов соответствующей квалификации;
• применение специальных вибростойких платформ для устранения вибраций;
• защита персонала от воздействия мощного лазерного излучения;
• применение газовых лазеров требует периодической «тренировки» активных элементов для сохранения их работоспособности.

Термитная сварка

Сущность термитной сварки состоит в том, что свариваемые детали помещают в огнеупорную форму, а в установленный тигель сверху засыпают термитный порошок  и поджигают его. При горении термита поднимается высокая температура, более 2000 °C, и образуется жидкий металл. Жидкий металл, оплавляя кромки свариваемых деталей и заполняя зазор между деталями, образует сварочный шов.
Обычно термит состоит из смеси 23 % опилок алюминия и 77 % окиси железа. Размер частичек порошка порядка 0,5 мм. При поджигании термитного порошка происходит экзотермическая реакция (т. е. химическая реакция с выделением теплоты). При этом окись железа восстанавливается до чистого железа, а алюминий окисляется. Расплавленное железо участвует в процессе сварки. Иногда термитную сварку выполняют при сварке стыков, когда отсутствуют другие источники теплоты.
Некоторые фирмы выпускают термитные карандаши  (рис. 15). Термитный карандаш представляет собой отрезок проволоки из углеродистой стали диаметром 2–5 мм. На проволоку наносится термит, замешанный на клею, обычно нитроцеллюлозном.
На одном из концов расположена затравка для поджигания термита. Обычно используют 1 весовую часть бертолетовой соли (КСlО3) и 0,5 весовой части мелких алюминиевых опилок, также замешанных на нитроцеллюлозном клею. При сварке термитным карандашом пользуются щитком и держателем для электродов, как и при электрической дуговой сварке. Сварку термитным карандашом применяют на аварийных и экстренных работах, при отсутствии источников энергии. Например для сварки рельсов, проводов связи, кабельных линий. Для этих целей промышленность выпускает термитные патроны  (термитные шашки) и специальные спички к ним. Принцип их действия аналогичен рассмотренному выше.

Преимущества термитной сварки:

• простота в использовании и низкая себестоимость;
• возможность производить сварку в экстренных случаях.

Недостатки термитной сварки:

• высокая способность поглощать влагу (гигроскопичность);
• чувствительность к механическим и тепловым воздействиям (пожароопасность);
• возможность взрыва при попадании воды на горящую термитную шашку;
• невозможность управления процессом горения термитной смеси.

Глава 2
Механический класс сварки

Классификация видов сварки давлением

К механическому классу относят виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления. 
К механическому классу относят следующие виды сварки:
• холодная сварка; 
• сварка взрывом; 
• сварка трением; 
• ультразвуковая сварка. 

Механическая энергия используется для сближения поверхностей на уровень межатомных взаимодействий элементов свариваемых деталей с образованием устойчивых связей.
Простота оборудования и высокая скорость процесса сварки позволили занять механическому классу сварки достойное место в различных технологических процессах.

Холодная сварка

Холодную сварку  выполняют без нагрева, при нормальных или пониженных температурах. Метод холодной сварки основан на использовании пластической деформации,  с помощью которой разрушают окисную пленку на свариваемых поверхностях и сближают свариваемые поверхности до образования металлических связей между ними. Эти связи возникают при сближении поверхностей соединяемых металлов на расстояние порядка нескольких ангстрем в результате образования общего электронного облака, взаимодействующего с ионизированными атомами обоих металлических поверхностей. Такое сближение достигается приложением больших удельных усилий в месте соединения. В результате происходит совместная пластическая деформация. Большое усилие сжатия обеспечивает разрушение пленки оксидов на свариваемых поверхностях и образование чистых поверхностей металла.
С помощью холодной сварки можно сваривать металлы, обладающие высокими пластическими свойствами при нормальной температуре. К этим металлам относятся: алюминий, золото, серебро, кадмий, свинец, цинк, титан, медь, никель, олово и их сплавы. Этот метод также применим для сварки разнородных металлов, например, меди с алюминием.
В недостаточно пластичных материалах при больших деформациях могут образоваться трещины. Высокопрочные металлы и сплавы холодной сваркой не сваривают, так как для этого требуются большие удельные усилия, которые трудно осуществить.
Если при сварке плавлением механизм образования соединения нагляден (например по расплавленным кромкам металла), то при холодной сварке давлением образование прочного соединения (схватывание) элементов происходит в твердой фазе. Таким образом, зона соединения недоступна для непосредственного наблюдения. В схватывании участвует огромное число атомов – до 1014 атомов/см2 со стороны каждого из металлов, а на скорость соединения влияет большое число внешних (температура, состав среды, давление) и внутренних (структура материала, механические свойства, состояние поверхности) факторов.
В проблему объяснения механизмов схватывания материалов в твердой фазе в конце XIX столетия внесли существенный вклад советские ученые: академики С. Б. Айбиндер, А. А. Бочвар, К. К. Хренов, профессора А. П. Семенов, Ю. Л. Красулин, К. А. Кочергин, В. П. Алехин и многие другие.
Получены расчетные данные, выдвинуты гипотезы, но единой теории образования сварочных соединений давлением нет.
Так, по гипотезе (энергетической) профессора А. П. Семенова, были введены количественные показатели процесса схватывания металлов, т. е. той минимальной степени деформации, при которой он начинается:

E = h/s × 100 %,

где: h  – минимальная глубина вдавливания пуансона, при которой начиналось схватывание;
s  – минимальная толщина в месте схватывания;
E  – относительная деформация схватывания.

Процесс схватывания в твердой фазе представляет собой топохимическую (химическая реакция на поверхности) реакцию, при которой между атомами соединяемых поверхностей вещества устанавливаются связи, аналогичные связям в объеме кристаллической решетки.
Таким образом, особенностью сварки в твердом состоянии является то, что для образования физического контакта и создания условия для химического взаимодействия материалов без расплавления к ним необходимо приложить механическую энергию.
Сварное соединение образуется только при условии выноса (выдавливания) из зоны контакта части поверхностного металла вместе с окисной пленкой.  Было установлено, что прочность соединения зависит только от относительной пластической деформации металла и не зависит от времени выдержки в сжатом состоянии.
Холодной сваркой выполняют точечные, шовные и стыковые соединения. 
Холодная сварка используется при производстве, например, герметизированных полупроводниковых приборов, различных корпусов, предметов хозяйственно-бытового назначения. При использовании ручных гидропрессов – в монтажных работах, например, для холодной сварки кабельных муфт и проводов в сетях электроснабжения.

Холодная точечная сварка (сварка внахлестку)

На рисунке 16 представлена схема холодной точечной сварки.
Свариваемые детали  (1) с тщательно зачищенной поверхностью в месте соединения помещают между пуансонами  (2), имеющими выступы  (3). При сжатии пуансонов усилием Р выступы пуансонов (3) вдавливаются в металл до тех пор, пока они упрутся в наружную поверхность свариваемых заготовок. Форма свариваемой точки зависит от формы выступа в пуансоне.
Холодной сваркой сваривают металлы и сплавы толщиной 0,2–15 мм. Удельные усилия, зависящие от состава и толщины свариваемого материала, в среднем составляют 150–1000 МПа.
В практике применяются следующие методы точечной холодной сварки:
• сварка без предварительного зажатия деталей;
• сварка с предварительным зажатием деталей;
• сварка с односторонним деформированием деталей.

Рис. 16. 
Схема холодной точечной сварки: 
1 – свариваемые детали; 
2 – пуансоны; 
3 – выступы пуансонов; 
4 – формы пуансонов. 

При точечной сварке без предварительного зажатия деталей  (рис. 17) с целью получения заданной прочности соединения необходимо приложить соответствующее давление пуансона. Например, для сварки алюминия это давление составляет 17–25 кгс/мм2 площади торца рабочего выступа пуансона. Для сварки меди оно должно быть увеличено в 2–4 раза. Наиболее технологичная форма выступов пуансона – прямоугольная и круглая. Ширина или диаметр рабочего выступа пуансона равны 1–3 толщинам свариваемых деталей – в зависимости от толщины последних. При сварке разнородных материалов диаметры круглых или ширины прямоугольных рабочих выступов пуансонов рекомендуется брать обратно пропорциональными твердости этих материалов.

Рис. 17 . Схема холодной сварки без предварительного зажатия свариваемых деталей: 
1 – свариваемые детали; 2 – пуансоны. 

Рис. 18. 
Схема холодной сварки с предварительным зажатием свариваемых деталей: 
1 – свариваемые детали; 
2 – прижимы; 3 – пуансоны 

Недостатком этого способа является коробление деталей, что особенно затрудняет сварку деталей больших толщин (более 4 мм), а также деталей из металлов с малой пластичностью (нагартованная медь, алюминий).
Способ сварки с предварительным зажатием деталей  (рис. 18) позволяет устранить основные недостатки предыдущего способа (без фиксации деталей). Отличие в том, что рабочий выступ пуансона изготавливают в виде отдельной детали, подвижной относительно опорной части, предназначенной для зажатия деталей с начала процесса сварки и до его окончания. Зажатие деталей между опорными частями (прижимами) (2) производят до вдавливания рабочих выступов пуансонов (3) в металл детали или одновременно с ним. За счет этого устраняется коробление свариваемых деталей и увеличивается прочность сварного соединения. Прочность сварного соединения растет с увеличением глубины вдавливания рабочих пуансонов в металл.
Максимальная прочность получается в том случае, когда рабочие пуансоны углубляются в металл почти на полную его толщину. При этом способе сварки давление на прижимы рекомендуется в пределах 3–5 кгс/мм2. Площадь прижима должна превышать площадь торца рабочего выступа пуансона в 15–20 раз. В частности, при сварке алюминия конечное давление на рабочий пуансон составляет 40–150 кгс/мм2 площади торца его рабочего выступа – в зависимости от толщины свариваемого металла.
Точечная холодная сварка с односторонним деформированием  (рис. 19) применяется в том случае, когда по эстетическим или техническим причинам требуется ровная с какой-то одной стороны поверхность сварного соединения. Прочность сварного соединения при одностороннем деформировании достигает максимального значения при глубине вдавливания около 60 % толщины свариваемых деталей. Дальнейшее увеличение углубления пуансона не приводит к росту прочности сварного соединения. При сварке металлов с разной толщиной вдавливание пуансона рекомендуется выполнять со стороны более тонкого металла, а при значительной разнице в толщинах (например, 10 мм + 1 мм) сварка уже невозможна.
Для получения качественного соединения перед сваркой материал необходимо тщательно зачищать от окисных пленок и обезжиривать от любых органических пленок. Даже прикосновение пальцев рук резко снижает прочность сварного соединения. Прочность соединения способом холодной сварки зависит от относительной глубины вдавливания пуансона и качества подготовки поверхности.

Рис. 19 .
Схема холодной сварки с односторонним деформированием деталей: 
1 – свариваемые детали; 2 – прижим; 
3 – пуансон; 4 – основание. 

Минимальная глубина вдавливания инструмента определяется свойством материала.

Холодная шовная сварка

Для холодной шовной сварки применяют специальные ролики. При этом способе сварки металл деформируется вдавливанием в него рабочих выступов вращающихся роликов (рис 20). Для сварки прямых листов непрерывные швы непригодны, т. к. уменьшают сечение деталей и по этой линии может происходить излом. Поэтому такой способ используют для сварки кольцевых и продольных швов в замкнутых контурах.
Для различных металлов и их сплавов разработаны технологические приемы холодной шовной сварки. Например, для алюминия и его мягких сплавов рекомендованы следующие параметры:
• диаметр роликов – 50 S;
• ширина рабочего выступа ролика – (1–5) S;
• высота рабочего выступа ролика (0,8–0,9) S,
где S – толщина свариваемых деталей.
Для сварки алюминия и мягких сплавов толщиной 2+1,5 мм усилие, прилагаемое к роликам в рабочем режиме, равно 1,8 тс. Используют два типа шовной сварки:
• с односторонним деформированием металла;
• с двухсторонним деформированием металла.

Рис. 20. 
Схема холодной шовной сварки: 
1 – свариваемые детали; 2 – ролики; 
3 – рабочие выступы роликов 

Холодная сварка встык

При этом способе сварки соединяемые детали закрепляют в специальных зажимах, расположенных соосно, а торцы свободных, выпущенных из зажимов концов деталей, примыкают один к другому. При осевой осадке выпущенные концы пластически деформируются, и в месте стыка образуется сварное соединение. Место сварки всегда имеет характерное утолщение по стыку. Величина свободных выпущенных концов зависит от свариваемых сечений и материала деталей.
Используют два типа зажимных устройств:
• с затрудненным истечением металла;
• со свободным истечением металла.
Схемы зажимных устройств показаны на рисунке 21.
Холодная сварка сейчас находит широкое применение благодаря простоте использования. Для соединения методом холодной сварки используют любые прессы (винтовые, гидравлические, рычажные, эксцентриковые и т. п.) как общепромышленного, так и специального назначения.

Достоинства холодной сварки:

• простота и доступность оборудования (например, любые прессы);
• низкая квалификация персонала;
• отсутствие вредных выделений при сварке;
• возможность сварки пластичных металлов без нагрева;
• высокая степень механизации процесса;
• малый расход энергии;
• высокая производительность.

Рис. 21 .
Схема зажимов для стыковой холодной сварки: 
1 – с затрудненным истечением металла; 
2 – со свободным истечением 

Недостатки холодной сварки:

• большие удельные давления;
• относительно малый диапазон толщин материалов при сварке (0,2–15 мм);
• невозможность сварки высокопрочных металлов.

Сварка взрывом

Сварку взрывом можно отнести к видам сварки с оплавлением, при кратковременном нагреве на воздухе, так как на отдельных участках наблюдаются зоны металла, нагретые до оплавления. Однако на других участках температура может быть невысока, и здесь процесс приближается к холодной сварке.
Большинство технологических схем сварки основано на использовании направленного (кумулятивного) взрыва.
На рисунке 22 приведена схема сварки взрывом. Соединяемые поверхности двух заготовок, одна из которых неподвижна и служит основанием, располагают под углом друг к другу на расстоянии h.
На заготовку  (3) укладывают взрывчатое вещество  (2) толщиной Н, а со стороны, находящейся над вершиной угла, устанавливают детонатор  (1). Сваривают на жесткой опоре. Давление, возникающее при взрыве, сообщает импульс расположенной под зарядом пластине. Детонация взрывчатого вещества с выделением газов и теплоты происходит с большой скоростью (несколько тысяч метров в секунду).
В месте соударения метаемой пластины с основанием образуется угол γ, который перемещается вдоль соединяемых поверхностей. При соударении из вершины угла выдуваются тонкие поверхностные слои, оксидные пленки и другие загрязнения. Соударение пластин вызывает течение металла в их поверхностных слоях.
Поверхности сближаются до расстояния действия межатомных сил взаимодействия, и происходит схватывание по всей площади соединения. Продолжительность сварки взрывом не превышает нескольких микросекунд. Этого времени недостаточно для протекания диффузных процессов, сварные соединения не образуют промежуточных соединений между разнородными металлами и сплавами.
Прочность соединений, выполненных сваркой взрывом, выше прочности соединяемых материалов. Разрушение при испытании происходит на некотором расстоянии от плоскости соединения по наименее прочному металлу. Это объясняется упрочнением тонких слоев металла, прилегающих к соединенным поверхностям, при их пластической деформации.

Рис. 22. 
Схема сварки взрывом: 
1 – детонатор; 2 – взрывчатое вещество (ВВ); 
3, 4 – соединяемые поверхности 

Параметры сварки взрывом:

• скорость детонации – D;
• нормальная скорость метаемой пластины при соударении с основанием – Vн;
• угол встречи при соударении – γ.
Скорость детонации, определяемая типом взрывчатого вещества и толщиной его слоя, должна обеспечивать образование направленной (кумулятивной) струи без возникновения опасных для металла ударных волн.
Сварка взрывом как способ соединения металлов в твердой фазе была открыта в начале 60-х годов прошлого столетия одновременно в России и США.

Достоинства сварки взрывом:

• высокая скорость (несколько микросекунд) соединения;
• изготовление заготовок из разнородных металлов (биметалл);
• плакирование (покрытие слоем металла) поверхностей сталей металлами и сплавами с особыми физическими и химическими свойствами;
• возможность изготовления прямолинейных и криволинейных заготовок площадью от нескольких квадратных сантиметров до десятков квадратных метров;
• изготовление заготовок для штамповки и ковки;
• простота оборудования (собственно детали и заряд ВВ).

Недостатки сварки взрывом:

• защита персонала от детонационных волн при взрыве зарядов;
• обучение персонала работе со взрывчатыми веществами;
• изготовление специальных камер для сварки взрывом;
• невозможность механизации или автоматизации процесса.

Сварка трением

Сварка трением относится к процессам, в которых используется взаимное перемещение свариваемых поверхностей, давление и кратковременный нагрев. Сварка трением происходит в твердом состоянии при взаимном скольжении двух заготовок, сжатых силой Р. Работа, совершаемая силами трения при скольжении, превращается в теплоту, что приводит к интенсивному нагреву трущихся поверхностей. Таким образом, для сварки используется тепло, которое выделяется в стыке при трении двух поверхностей в результате преобразования механической энергии в тепловую. Трение поверхностей осуществляют вращением, возвратно-поступательным перемещением сжатых заготовок и колебательным перемещением одной из соединяемых деталей по отношению к другой.
Схемы сварки трением показаны на рисунке 23:
а) с вращением одной детали; 
б) с вращающейся вставкой; 
в) с вращением в противоположные стороны; 
г) с возвратно-поступательным движением одной детали. 
В результате нагрева и сжатия происходит совместная пластическая деформация. Сварное соединение образуется вследствие возникновения металлических связей между чистыми (ювенильными) контактирующими поверхностями свариваемых заготовок. На сопряженных деталях в месте стыка происходит интенсивный нагрев контактирующих поверхностей. Например, для углеродистых сталей обыкновенного качества температура достигает 900–1350 °C. При достижении температуры сварки процесс трения должен быть резко прекращен.
Окисные пленки на соединяемых поверхностях разрушаются в результате трения и удаляются за счет пластической деформации в радиальных направлениях. Сварка заканчивается естественным охлаждением деталей при повышенном сжимающем осевом усилии.
Выделяют несколько типов сварных соединений сваркой трением, которые показаны на рисунке 24:
а) сварка стержней встык; 
б) сварка труб встык; 
в) сварка встык стержня с трубой; 
г) приварка стержня к листу; 
д) приварка трубы к листу; 
е) приварка стержня к массивной детали. 

Основные технологические параметры сварки трением:

• скорость относительного перемещения (вращения) свариваемых поверхностей;
• продолжительность нагрева;
• удельное усилие сжатия заготовок;
• пластическая деформация, т. е. величина осадки;
• площадь сечения и конфигурация заготовки.

Рис. 23. 
Схемы сварки трением 

Преимущества стыковой сварки:

• высокая производительность;
• высокое и стабильное качество сварного соединения;
• возможность сварки разнородных металлов и сплавов;
• отсутствие вредных выделений;
• высокие энергетические показатели (например, при сварке трением углеродистой стали удельная электрическая мощность равна 15–20 Вт/мм2, а при электрической контактной сварке – 120–150 Вт/мм2);
• высокая скорость соединения деталей (машинное время в пределах 2–40 секунд);
• высокая степень механизации и автоматизации процесса;
• возможность использовать для сварки трением различные типы общепромышленных токарных и сверлильных станков.

Недостатки сварки трением:

• для каждого металла необходимо разрабатывать технологические режимы в зависимости от состава материала и геометрических параметров;
• необходимость контроля момента сварки с последующим прекращением процесса;
• необходим механизм давления для создания осевых усилий сжатия.

Ультразвуковая сварка

Волны, распространяющиеся в упругих средах (газах, жидкостях, твердых телах), называются в физике волнами малой интенсивности . Эти волны вызывают слабые механические возмущения. Звуковые волны, воздействуя на органы слуха, способны вызывать звуковые ощущения, если частоты звуковых колебаний лежат в пределах 16–20 000 Гц. Эта область называется областью слышимых звуков . Упругие волны с частотами 20–100 кГц называются ультразвуковыми .

Рис. 24. 
Типы соединений сварки трением 

Ультразвук   («ультра» означает «сверх») – волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц твердых тел, жидкостей и газов, происходящее с частотами более 16 000 колебаний в секунду. В физике принято измерять частоты колебаний в герцах (1 Гц = 1 колебанию в 1 секунду). Ультразвук назван так потому, что основная часть людей не слышит колебания свыше 16 кГц.
Сущность процесса ультразвуковой сварки состоит в том, что при приложении колебаний высокой (ультразвуковой) частоты к свариваемым деталям в них возникают касательные напряжения , вызывающие пластические деформации материала свариваемых поверхностей. В результате механических колебаний в месте соединения металлов развивается повышенная температура, зависящая от свойств материала. Эта температура способствует возникновению пластического состояния материалов и их соединению. В местах сварки образуются совместные кристаллы, обеспечивающие прочность сварного соединения. Таким образом, сварка с применением ультразвука относится к процессам, в которых используют давление, нагрев  и взаимное трение  свариваемых поверхностей. В этом способе сварки тепловая энергия не подводится извне, а образуется в результате действия сил трения, поэтому ультразвуковая сварка относится к механическому классу. Силы трения возникают в результате действия механических колебаний с ультразвуковой частотой на заготовки, сжатые осевой силой Р.
Механические колебания создаются в специальных преобразователях , которые преобразуют высокочастотные колебания электрического тока в механические колебания рабочего инструмента.
Для этих целей используют магнитострикционный эффект, основанный на изменении размеров некоторых материалов при воздействии на них переменного магнитного поля. Магнитострикция как физический эффект была открыта в 1842 г. Дж. П. Джоулем. Название было дано от латинского слов strictio, что означает сжатие, натягивание. В настоящее время для магнитострикционных преобразователей используют материалы на основе ферромагнитных сплавов.
Переменный электрический ток создает в магнитострикционном материале преобразователя переменное магнитное поле. Изменения размеров магнитострикционного материала происходят при каждом полупериоде тока, т. е. упругие колебания генерируются с двойной частотой относительно частоты переменного тока. Изменения размеров магнитострикционных материалов очень незначительны, Поэтому для передачи к месту сварки механических колебаний, увеличения амплитуды и концентрации энергии колебаний используют волноводы . В большинстве случаев они имеют сужающуюся форму.
В зависимости от конструкции волновода и крепления инструмента в зоне сварки можно получить продольные, поперечные  и крутильные колебания  инструмента. Их амплитуда обычно бывает в пределах 10–30 мкм.
Мощность генераторов для сварки ультразвуком при рабочей частоте 18–25 кГц составляет от 0,4 кВт и до 5 кВт. Применяются также генераторы с частотами: 44, 66, 88 кГц.
На рисунке 25 показаны различные виды волноводов (концентраторов) для увеличения амплитуды колебаний и передачи их в зону сварки.

Рис. 25 . Виды волноводов (концентраторов): 
1 – ступенчатый; 2 – конический; 3 – сложной геометрической формы 

Стержневой магнитострикционный преобразователь показан на рисунке 26а, он состоит из сердечника  1 и катушки  2. Переменный ток возбуждает в катушке переменное магнитное поле, которое за счет магнитострикционного эффекта в направлении оси сердечника создает упругие напряжения и деформации, т. е. сердечник совершает продольные механические колебания.
Продольные механические колебания, возбуждаемые в преобразователе, подаются на инструмент или преобразуются в другие типы колебаний, обусловленные технологией. Это реализуется изменением конструкции волновода и инструмента.
Устройства для преобразования колебаний показаны на рисунке 26б.
Изгибные колебания получают при помощи волновода продольных колебаний, если к нему присоединить стержень 3 , имеющий резонансные размеры по отношению к изгибным колебаниям заданной частоты. Крутильные колебания передаются в зону сварки, например способом, показанным на рисунке 26б.

Рис. 26. 
Устройства для преобразования колебаний: 
а – с помощью волновода продольных колебаний; б – с помощью волновода крутильных колебаний 

На рисунке 27 показана принципиальная схема ультразвуковой сварки. При сварке ультразвуком свариваемые заготовки размещают на опоре 6 . Наконечник рабочего инструмента 2  соединен с магнитострикционным преобразователем 4  через трансформатор продольных колебаний, представляющий собой вместе с рабочим инструментом 2 волноотвод 3 . Нормальная сжимающая сила Р создается моментом М в узле колебаний.

Рис. 27. 
Принципиальная схема ультразвуковой сварки: 
1 – свариваемые детали; 2 – инструмент; 3 – волновод; 4 – преобразователь; 5 – генератор ультразвуковых колебаний; 6 – опора 

В результате ультразвуковых колебаний в тонких слоях контактирующих поверхностей создаются сдвиговые деформации , разрушающие поверхностные пленки. При этом тонкие поверхностные слои металла нагреваются, металл в этих слоях немного размягчается и под действием сжимающего усилия пластически деформируется. При сближении поверхностей на расстояние действия межатомных сил между ними возникает прочная связь.
Экспериментально установлено, что прочность соединений, выполненных сваркой ультразвуком, во многих случаях превосходит прочность соединения, полученного контактной сваркой.
Сравнительно небольшое тепловое воздействие на соединяемые материалы обеспечивает минимальное изменение их структуры, механических и других свойств. Например, при сварке меди температура в зоне контакта не превышает 600 °C. При сварке алюминия и его сплавов температура составляет 200–300 °C. Это особенно важно при сварке химически активных металлов.
Этим видом сварки соединяют металлы, сплавы металлов и различные материалы в различных сочетаниях толщиной от 0,001 мм и до нескольких миллиметров. При сварке пластмасс к заготовкам подводятся поперечные ультразвуковые колебания.
В настоящее время ультразвуковая сварка находит широкое применение в радиоэлектронной промышленности, приборостроении, авиационной, космической и многих других областях.
Сварка ультразвуком применяется для точечных и шовных соединений внахлестку и по замкнутому контуру.

Достоинства сварки ультразвуком:

• незначительный нагрев деталей (в пределах пластической деформации);
• для получения сварного соединения требуется незначительная электрическая мощность;
• подготовка деталей ограничивается практически их обезжириванием;
• возможность производить сварку деталей с оксидированными и плакированными поверхностями, а также с покрытиями в виде изоляционных пленок;
• возможность сварки разнородных металлов и материалов, в т. ч. и пластмасс;
• возможность сварки ультратонких листов до 0,001 мм;
• сваркой ультразвуком можно соединять разнородные материалы в пакет;
• ультразвуковая сварка применима для соединения трудносвариваемых металлов, например молибдена, вольфрама, тантала, циркония;
• сварка происходит практически мгновенно, в момент включения УЗ-генератора;
• отсутствие вредных выделений при сварке;
• высокая степень автоматизации процесса сварки;
• высокая скорость сварки (до 150 м/час) и прочность соединения.

Недостатки сварки ультразвуком:

• применение специальных генераторов ультразвука;
• относительно небольшой диапазон толщин свариваемых материалов;
• вредное воздействие ультразвука на организм человека;
• необходимость применения устройств для предварительного сжатия деталей.

Глава 3
Термомеханический класс сварки

Классификация видов термомеханической сварки

Термомеханический класс сварки основан на использовании совместного действия тепла и давления, вводимых в зону сварки. Термомеханический, или термопрессовый, класс сварки по принципу действия во многом аналогичен рассмотренному выше механическому классу сварки. Основное отличие в том, что тепловая энергия вводится в зону сварки извне. Тепловая энергия образуется при прохождении электрического тока через сопротивление по границе «металл—металл», введением теплоты от газовой горелки, электрическим разрядом от конденсатора. Используется также тепловая энергия от дугового разряда.
В соответствии с этим термомеханический класс сварки разделяют на следующие виды:
• электроконтактная сварка; 
• диффузная сварка; 
• газопрессовая сварка; 
• дугопрессовая сварка; 
• сварка аккумулированной энергией. 

Электроконтактная сварка

Электроконтактная сварка является одним из самых распространенных видов сварки металлов давлением. Электроконтактная сварка относится к видам сварки с кратковременным нагревом места соединения деталей без оплавления или с оплавлением и осадкой разогретых заготовок. Характерная особенность этих процессов – пластическая деформация, в ходе которой формируется сварное соединение. В процессе этой деформации происходит удаление окислов из зоны сварки, устранение раковин и местное уплотнение металла.
Способ электроконтактной сварки изобрел русский инженер Н. Н. Бенардос, который в 1885 году получил патент на способ точечной электросварки клещами с угольными электродами. Позднее этот способ усовершенствовали заменой угольных электродов на медные, и появились новые способы сварки: роликовая, стыковая, рельефная и т. д.
Место соединения разогревается проходящим по металлу электрическим током, при этом максимальное количество теплоты выделяется в месте сварочного контакта. Количество теплоты, выделяемой в зоне сварки, определяют по формуле Джоуля-Ленца (Q = I2 × R × t):

Q = 0,24 × I2 × R Δt.

где Q – количество тепла (кал.);
I – сила тока сварки (А);
R – полное сопротивление зоны сварки (Ом);
t – время протекания тока сварки (с).

Q = I2 × R Δt,

где Q – количество теплоты (Дж),
остальные параметры по формуле 3.1.

Основное влияние на нагрев оказывает сила сварочного тока. Например, при данном количестве необходимой теплоты, расходуемой за один сварочный цикл, увеличение силы тока в два раза приведет к уменьшению времени сварки более чем в четыре раза.
Полное сопротивление сварочного контура состоит из электросопротивлений выступающих концов заготовки L, свариваемых заготовок Rзаг, сварочного контакта Rк и электросопротивления между электродами и заготовками Rэл (рис. 28 а )

Рис. 28. 
Схема электроконтактной сварки (а), схема контакта заготовки (б) 

Полное сопротивление сварочного контура равно:

R = Rзаг + Rк + Rэл

Сопротивление сварочного контакта зависит от таких факторов, как чистота поверхностей деталей в месте сварки, наличие окисных пленок металла, сила сжатия заготовок. Например, при сварке неочищенных заготовок сопротивление в месте контакта изменяется в весьма широких пределах. Это приводит к изменению температуры нагрева, стабильности прочностных показателей, браку и износу электродов.
При нагреве в месте контакта сопротивление металла возрастает, следовательно, еще более возрастает количество выделяющейся теплоты и резко ускоряется процесс сварки. Применяя для контактной сварки токи больших величин, удается производить сварку за десятые и сотые доли секунды.
Контактную сварку классифицируют по типу сварного соединения, определяющего вид сварочной машины, и по роду тока, питающего сварочный трансформатор.

По типу сварного соединения различают:

• стыковую контактную сварку;
• точечную контактную сварку;
• шовную (роликовую) контактную сварку.

По роду сварочного тока выделяют контактную сварку:

• переменным током;
• импульсом постоянного тока;
• аккумулированной энергией.
Схемы основных современных способов контактной сварки представлены на рисунке 29. Эти способы отличаются сопряжением деталей в месте соединения, особенностями токоподвода и приложением сварочного давления.

Рис. 29 .
Основные способы контактной электросварки: 
а – стыковая сварка; б – точечная сварка; в – шовная (роликовая) сварка; г – рельефная сварка 

Выпускаемые машины для электроконтактной сварки состоят из двух основных частей: электрической и механической.
Электрическая часть сварочной машины  состоит из:
• трансформатора с первичной обмоткой на напряжение 220/380 В и вторичной обмоткой на напряжение 1–20 В, при силе тока во вторичной обмотке от нескольких десятков до сотен килоампер;
• регулятора времени;
• прерывателя тока в цепи первичной обмотки;
• токоподводящих устройств.
Механическая часть машины для контактной электросварки  включает в себя:
• устройства фиксации деталей;
• механизмы для создания, выдержки и снятия давления на заготовки.
Машины для контактной сварки работают по заданной программе с целью изменения сварочного тока и усилия сжатия. График изменения сварочного тока и усилия сжатия, совмещенных во времени, называют циклограммой.
Контактная электросварка является высокопроизводительным процессом. Этот вид сварки легко механизируется и автоматизируется. Относительная простота в обслуживании способствует широкому применению контактной сварки в строительстве, автомобилестроении, приборостроении и многих других областях техники и производства.

Стыковая контактная электросварка

Различают следующие способы стыковой сварки (рис. 29а):
• стыковая сварка сопротивлением; 
• стыковая сварка оплавлением. 

Стыковая контактная сварка сопротивлением  – разновидность контактной сварки, при которой заготовки, установленные и закрепленные в стыковой машине, прижимают одну к другой усилием определенной величины, после чего пропускают по ним электрический ток. При нагревании металла в зоне сварки до пластического состояния происходит осадка . Ток выключают до окончания осадки.
Недостаток этого способа в том, что им можно соединять детали малого сечения (до 100 мм2) с простым периметром (круг, квадрат, прямоугольник и т. п.). Детали при этом способе требуют тщательной очистки.

Стыковая сварка оплавлением.  При этом способе детали медленно сближают при включенном источнике тока. Соприкосновение поверхностей при медленном сближении приводит к образованию отдельных микроконтактов, через которые протекает ток высокой плотности. Происходит взрывное оплавление микроконтактов . При этом под действием магнитного поля расплавленный и кипящий металл выбрасывается наружу. Последующее сжатие заготовок приводит к образованию сварного шва. Осадку деталей начинают при включенном токе и завершают при выключенном токе. При этом используют непрерывное или прерывистое оплавление места сварки.
Сварка оплавлением имеет преимущества перед сваркой сопротивлением в том, что при оплавлении выравниваются все неровности стыка, а оксиды и загрязнения удаляются. Поэтому не требуется особой подготовки места соединения, можно сваривать детали с сечением сложной формы. Сваркой оплавлением соединяют разнородные металлы – быстрорежущие, углеродистые стали, медь, алюминий.
Наиболее распространенными изделиями, изготовляемыми стыковой сваркой, являются элементы трубчатых конструкций, кольца, колеса, инструмент, рельсы, арматура для строительства.

Точечная контактная электросварка

Заготовки соединяют сваркой в отдельных местах, условно называемых точками .
Размеры и структура точки, определяющие прочность соединения, зависят от различных факторов. Форма и размеры контактной поверхности электродов, сила сварочного тока, время его протекания через заготовки, усилия сжатия и состояния поверхностей заготовок – это основные технологические параметры точечной сварки.
При этом способе соединяемые детали внахлестку расположены под сжимающими электродами. К электродам подводится электрический ток. В момент прохождения тока заготовки нагреваются, особенно быстро нагреваются участки, прилегающие к контакту между электродами. При этом металл расплавляется, и под действием сжимающих усилий капля расплавленного металла сплющивается на стыке «деталь-деталь». В момент образования в зоне сварки расплавленного ядра заданных размеров ток выключают. После выключения тока заготовки кратковременно выдерживают между электродами под действием усилия сжатия, в результате чего происходит охлаждение зоны сварки, кристаллизация расплавленного металла и уменьшение усадочной раковины в ядре сварной точки. Электроды оставляют характерный отпечаток в виде точки.
Точечной сваркой можно сваривать листовые заготовки одинаковой или разной толщины, пересекающиеся стержни, листовые заготовки со стержнями или профильными заготовками (уголками, швеллерами, таврами и т. п.).

Рис. 30. 
Схема точечной электросварки: 
а – схема процесса; б – сечение сварной точки; Р – давление сжатия заготовок 

Точечную сварку применяют для соединения заготовок из сталей различных марок, а также из цветных металлов и их сплавов толщиной от сотых долей миллиметра до 35 мм.
Сварка, в зависимости от расположения электродов по отношению к свариваемым заготовкам, может быть двухсторонней и односторонней.
Типы сварных соединений точечной контактной сваркой показаны на рисунке 31.
Точечной сваркой изготавливают штампосварные заготовки  – при соединении отдельных штампованных элементов сварными точками, что упрощает процесс изготовления сварных узлов. Точечная сварка широко применяется при производстве автомобилей и в авторемонтных мастерских – при замене элементов кузова.

Рис. 31. 
Типы сварных соединений точечной сваркой 

Можно выделить рельефную сварку  как вид контактной одновременной многоточечной сварки.
Рельефная сварка характерна тем, что на одной из заготовок предварительно изготавливают выступы (рельефы) – круглой, кольцевой, продолговатой или иной формы. Сварку выполняют одновременно по всем рельефам, что обеспечивает высокую производительность процесса.

Основные технологические параметры точечной сварки:

• удельное усилие сжатия – Р (МПа);
• плотность тока – i (А/мм2);
• время протекания тока – t (с).

Шовная (роликовая) контактная электросварка

Шовная (роликовая) сварка  – разновидность контактной сварки, при которой заготовки соединяют прочно-плотным сварным швом, состоящим из ряда точек, перекрывающих друг друга. Электроды имеют вид роликов (дисков) диаметром – 400 мм. Форму рабочей поверхности выбирают в зависимости от толщины, формы и материала свариваемых заготовок. Ролики для сварки делают из токопроводящих материалов, с высокой теплопроводностью, например из меди или специальных сплавов.
Схема шовной сварки изображена на рисунке 32.
В процессе шовной сварки (рис. 32) листовые заготовки 1  соединяют внахлестку, зажимают между роликами-электродами 2  и пропускают ток сварки от трансформатора 3 . При движении роликов по заготовкам образуются перекрывающие друг друга точки, в результате чего образуется сплошной герметичный шов. Шовную сварку, так же как и точечную, можно получить при одностороннем и двухстороннем расположении электродов.
Циклограмма процесса шовной сварки бывает с прерывистым или с непрерывным включением тока.

Рис. 32. 
Схема шовной сварки и разрез сварного шва: 
1 – заготовки; 2 – ролики; 
3 – сварочный трансформатор; 
Р – усилие сжатия 

Толщины свариваемых листов металла составляют – 0,3 мм. Шовной сваркой выполняют те же типы сварных соединений, что и точечной сваркой, но используют для получения герметичных швов.
Шовную сварку применяют в массовом производстве для изготовления различных сосудов, баков и т. п.

Диффузная сварка

Диффузией называется явление самопроизвольного проникновения и перемешивания частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей или твердых тел. Происхождение слова от латинского diffusio  означает распространение, растекание, рассеивание. С точки зрения физики это неравновесный процесс, вызываемый молекулярным тепловым движением и приводящий к установлению равновесного распределения концентраций внутри фаз. В результате диффузии происходит выравнивание химических потенциалов компонентов смеси.
Микроскопическая теория диффузии атомов, основанная на механизме перескоков атомов по вакансиям  (свободным местам), была развита Я. И. Френкелем.
Замещение атомов кристаллической структуры вакансиями связано с возможностью перехода их через потенциальный барьер. Предполагается, что после перехода атома на свободное место (вакансию) он, благодаря сильному взаимодействию его с соседними атомами, успевает отдать часть энергии, прежде чем вернется на свое место.
Процесс диффузии в твердых телах может осуществляться несколькими способами:
• обмен местами атомов кристаллической структуры с ее вакансиями;
• перемещение атомов по междоузлиям;
• одновременное циклическое перемещение нескольких атомов;
• обмен местами двух соседних атомов.
При образовании твердых растворов замещения преобладает обмен местами атомов и вакансий. Диффузию принято выражать через коэффициент диффузии D:

D = a2/t × exp (—W/k × T),

где: D  – коэффициент диффузии;
a  – постоянная решетки;
t  – время периода колебаний атомов решетки (t=10–13c)
W  – энергия активации;
Т  – температура.

Из формулы видно, что для твердых тел характерна экспоненциальная зависимость диффузии от температуры. Например, коэффициент диффузии для цинка в медь возрастает в 1014 раз при повышении температуры от 30 °C до 300 °C.
Все эти физические явления положены в основу диффузной сварки материалов и различных металлов и их сплавов. При диффузной сварке соединение образуется в результате взаимной диффузии (проникновения) атомов в поверхностных слоях контактируемых материалов, находящихся в твердом состоянии.
Температура нагрева при сварке несколько выше или ниже 0,5–0,9 Тплавл) температуры рекристаллизации более легкоплавкого материала. Процесс сварки в большинстве случаев выполняют в вакууме, примерно (1,33 × (10–2–10–5) Па. Однако возможна и сварка в атмосфере инертных защитных или восстановительных газов.
Защитная среда способствует удалению пленок поверхностных окислов. В вакууме происходит их разложение (диссоциация) и испарение или восстановление окисных пленок до основного металла в среде восстановительного газа.
На рисунке 33 изображена принципиальная схема диффузной сварки.
Процесс диффузной сварки выполняют следующим образом (рис. 33): свариваемые заготовки 4  центрируют в оправках 3, 6 , устанавливают в рабочую камеру 2 , в которой создают вакуум или заполняют ее защитным газом. После этого нагревают заготовки до температуры рекристаллизации более легкоплавкого материала и прикладывают давление с помощью, например пневмо, гидро– или механических устройств 1 .
Давление создают порядка 1–20 МПа в течение 5–20 минут. После охлаждения деталей образуется сварное соединение. Нагрев осуществляют при помощи внешнего либо внутреннего нагревателя. Используют нагрев электрическим током, при помощи индуктора ТВЧ (токами высокой частоты), при помощи электронного луча в вакууме. Время выдержки зависит от свойств материала и его размеров.

Рис. 33. 
Схема диффузной сварки: 
1 – механизм создания давления; 2 – рабочая камера; 3, 6 – оправки; 4 – свариваемые детали; 5 – нагреватель 

Основные технологические параметры диффузной сварки:

• давление на свариваемые детали;
• температура нагрева заготовок;
• степень разрежения в вакуумной камере;
• время нагрева и время сжатия деталей.

Процесс сварки с помощью диффузного соединения условно разделяют на две стадии:

• 1-я стадия  – нагрев материала и приложение давления, что вызывает пластическое течение микровыступов, разрушение и удаление различных пленок на поверхностях контакта. Образуются многочисленные участки с непосредственной связью материалов;
• 2-я стадия  – ликвидация микровыступов и образование объемной зоны соединения.

Оборудование для диффузной сварки:

• вакуумная установка с системами для подъема и опускания камеры;
• системы для создания регулируемого давления на заготовки;
• устройства нагрева заготовок (индукторы ТВЧ, электроннолучевые нагреватели);
• системы управления установкой и контроля.

Преимущества диффузной сварки:

• отсутствие загрязнений в соединении (нет припоев, флюсов, электродов);
• возможность соединений в различных сочетаниях металлов, сплавов, различных материалов независимо от их твердости, взаимного смачивания;
• возможность сваривать биметаллические, триметаллические и тетраметаллические детали;
• получение высокопрочных соединений без изменения физико-химических свойств свариваемых материалов;
• отсутствие какой-либо механической обработки после сварки;
• возможность соединений материалов различных толщин;
• высокая степень автоматизации процесса сварки;
• относительно низкие энергозатраты при высокой рентабельности сварки.

Недостатки диффузной сварки:

• относительная сложность оборудования требует подготовки кадров.
Диффузную сварку широко применяют в ракетно-космической технике, в самолетостроении, приборостроении, пищевой и медицинской промышленностях и других отраслях. Этот способ применяют для сварки ответственных деталей турбин, при изготовлении металлокерамики, узлов вакуумных приборов, высокотемпературных нагревателей, при производстве инструмента и т. д.
Выпускаются установки диффузной сварки для единичного производства (с ручным управлением) и для серийного производства (с полуавтоматическим и автоматическим программным управлением).

Газопрессовая сварка

При газопрессовой сварке используют традиционный источник тепловой энергии, характерный для сварки плавлением, – газовое пламя . Одновременно с положительным воздействием нагрева и давления защитная атмосфера в зоне сварки интенсифицирует образование качественного соединения.
Схема газопрессовой сварки показана на рисунке 34.
При сварке газопрессовым способом детали 2, 4  фиксируют в зажимах 1, 5  и прогревают с поверхности стыка или с торца до температуры пластического состояния, а затем, прикладывая давление, обеспечивают образование сварного соединения. Регулируя состав газов, можно получать как окислительную, так и восстановительную атмосферу в газовом факеле. Этим можно оказывать определенное положительное воздействие на процесс образования сварочного соединения. Газопрессовая сварка достаточно широко применяется, например, при производстве электровакуумных приборов и в других сферах производства, благодаря простоте процесса сварки, доступности оборудования и низкой квалификации персонала.

Рис. 34. 
Схема газопрессовой сварки: 
а – положение деталей перед сваркой; б – положение деталей после сварки; 
1, 5 – зажимы заготовок; 2, 4 – свариваемые изделия; 3 – горелка кольцевая 

Дугопрессовая сварка

Дугопрессовая сварка используется для присоединения деталей типа шпилька к пластине или к массивной плите. В качестве электрода выступает сама деталь. Для получения теплоты используется энергия электрической сварочной дуги.
Схема процесса дугопрессовой сварки показана на рисунке 35.
При отводе детали 2  от пластины 3  включают электрическую цепь, при этом возбуждаемая электрическая дуга расплавляет материал шпильки и пластины. После этого отключают электрическую цепь и ударом шпильки о пластину производят соединение деталей.
Поверхностные окислы и загрязнения при этом выдавливаются из зоны сварки вместе с жидким металлом, и образуется соединение высокого качества. Для повышения качества соединения сварка может производиться в защитной среде, например в среде азота, углекислого газа.
Процесс дугопрессовой сварки может быть легко механизирован. При производстве дугопрессовой сварки используется аппаратура для обычной электродуговой сварки.
Дугопрессовую сварку можно применять при производстве строительных элементов, например для сварки арматурных стержней с закладными деталями.

Сварка аккумулированной энергией

Сущность процесса сварки аккумулированной энергией заключается в том, что кратковременные сварочные процессы осуществляются за счет энергии, запасенной в соответствующем приемнике, непрерывно заряжающем и периодически разряжающемся на свариваемые детали.
Существуют четыре разновидности сварки аккумулированной энергией:
• конденсаторная сварка; 
• инерционная сварка; 
• электромагнитная сварка; 
• аккумуляторная сварка. 
Накопление энергии соответственно происходит в конденсаторной батарее, во вращающихся частях генератора, в магнитном поле специального сварочного трансформатора и в аккумуляторной батарее.
Наиболее широкое промышленное применение получила конденсаторная сварка . Этот способ сварки по характеру протекания процессов близок к дугопрессовой сварке.
Энергия в конденсаторах накапливается при их зарядке от источника постоянного тока (генератора или выпрямителя). Затем в процессе разрядки запасенная энергия мгновенно подается в зону сварки. Накопленную в конденсаторе электрическую энергию можно регулировать, изменяя емкость конденсаторной батареи и напряжение ее зарядки.

Рис. 35. 
Схема дугопрессовой сварки (стрелка показывает направление сжатия); 
а – положение деталей перед сваркой; б – разогрев свариваемых кромок; в – соединение деталей. 1 – выключатель тока; 2 – шпилька (электрод); 3 – пластина; 4 – дуговой разряд 

Энергию заряда конденсатора можно определить по формуле:

A = C × U2/2,

где А – энергия заряда (Дж);
С – емкость конденсатора (Ф);
U – напряжение зарядки конденсатора (В).

При конденсаторной сварке возможна точная регулировка и дозировка количества энергии зарядки, не зависящая от внешних условий, в частности от нестабильности питающей сети.
В настоящее время используются две схемы конденсаторной сварки (рис. 36):
• бестрансформаторная конденсаторная сварка; 
• трансформаторная конденсаторная сварка. 
В обеих схемах запасенная в виде емкостного заряда энергия разряжается за короткое время (10–3 –10–4 с) на электроды, сжимающие заготовки. Высокая плотность тока способствует мгновенному разогреву места сварки, что обеспечивает небольшую зону термического влияния при скоростном процессе.
При бестрансформаторной (рис. 36а) сварке концы обкладок конденсатора подключены непосредственно к свариваемым деталям 2, 3 . При этом один из выводов жестко закреплен, а другой может перемещаться в направляющих. При освобождении защелки 6  под действием сжатой пружины 5  деталь быстро переместится по направлению к неподвижной заготовке. Перед соударением, в промежутке 1–3 мм, между деталями возникает мощный дуговой разряд энергии, накопленной в конденсаторе С. Этот искровой пробой, переходящий в дуговой разряд, успевает частично оплавить торцы обеих заготовок 2, 3 , которые после соударения свариваются между собой под действием усилия осадки. При ударном сжатии деталей поверхностная прослойка жидкого металла вытесняется из зоны сварки, что способствует образованию качественного сварного соединения.
Способом бестрансформаторной конденсаторной сварки можно сваривать встык проволоку и тонкие стержни разной толщины из разнородных материалов: вольфрам-никель, медь-константан, молибден-никель и т. п.
Трансформаторная конденсаторная сварка (рис. 36б) отличается тем, что конденсатор разряжается на обмотку сварочного трансформатора Т2.
При этом способе сварки сжимают заготовки между электродами, заряжают конденсатор, который разряжают на первичную обмотку сварочного трансформатора. В результате во вторичной обмотке сварочного трансформатора индуцируется ток большой величины, с энергией, достаточной для сплавления деталей.

Рис. 36. 
Схемы конденсаторной сварки: 
а – бестрансформаторная конденсаторная сварка; б – трансформаторная конденсаторная сварка. Т1 – трансформатор повышающий; Т2 – трансформатор сварочный; С – конденсаторная батарея; В – выпрямитель переменного тока; П – переключатель; 1, 4 – электроды; 2, 3 – свариваемые заготовки; 5 – пружина; 6 – защелка 

Преимущества конденсаторной сварки:

• точная дозировка запасенной энергии;
• независимость от колебаний питающей сети;
• малое время протекания тока (10–3–10–4 с);
• небольшая зона термического влияния;
• низкая потребляемая мощность (0,2–2 кВА);
• высокая степень автоматизации процесса;
• возможность сваривать материалы малых толщин (до нескольких микрон).
Конденсаторная сварка широко применяется в производстве приборов для точной механики (авиационные, часовые, прецизионные), в производстве радиоэлементов и т. п.

Глава 4
Металлы и сплавы. Основные свойства и понятия

Сварщик работает с металлами и их сплавами. Для понимания процессов, происходящих при сварке, необходимо владеть основными понятиями, знать основные свойства металлов и сплавов.
Что такое металлы? Более 200 лет назад великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711–1765) в своем знаменитом труде «Первые основания металлургии или рудных дел», написанном в 1763 году, дал металлам такое определение: «металлы суть ковкие светлые тела». Для того времени краткая формулировка была достаточно верной и точной. Ломоносов назвал шесть основных металлов: золото, серебро, медь, железо, свинец и олово.
Позже Мейер (1897) в своем энциклопедическом словаре дал уже расширенное определение металлам: «элементы, которые являются хорошими проводниками тепла и электричества, обладают характерным сильным блеском, непрозрачны (в не слишком тонком слое) и образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа».
С развитием науки происходили открытия все новых элементов. Открытые элементы необходимо было классифицировать какими-то другими определениями.
К чему причислять новые элементы?
Выход из тупика нашел знаменитый русский ученый Д. И. Менделеев (1834–1907). Его таблица и периодическая система элементов получили всемирное признание. Одновременно с Д. И. Менделеевым и независимо от него подобную систему разработал немецкий химик Лотар Мейер (1830–1895). Права на открытия принадлежат обоим ученым. Однако Менделеев предсказал по своей таблице свойства еще не открытых элементов и определил их свойства теоретически. Это были элементы галлий  и германий . В то время было известно 63 элемента, из них около 50 – металлы.
Дальнейшие исследования свойств металлов с помощью оптического микроскопа (увеличение до 1500 раз), а затем при помощи электронного микроскопа (увеличение 20–100 000 крат) позволили заглянуть внутрь металла.
Русский ученый П. П. Аносов в 1831 году впервые в мировой практике применил оптический микроскоп для исследования микроструктуры металлов, став основоположником изучения металлов методом микро– и макроанализа. Кроме того, он первым в мировой практике обратил внимание, что свойства стали  зависят не только от ее химического состава, но и от структуры.
Исследование при помощи оптики показало строение металлов как кристаллических веществ. Электронная металлография позволила наблюдать дефекты в кристаллах в виде различных дислокаций-смещений, перестановок.
Итак, что нам сегодня известно о металлах? 
Металлы обладают различными свойствами. Общими свойствами металлов является характер зависимости электропроводности от температуры . Свойства металлов объясняются их строением: распределением и характером движения электронов в атомах; расположением атомов, ионов и молекул в пространстве; размерами, формой и характером кристаллических образований.
Электронное строение металлов определяется периодической системой Д. И. Менделеева. В полном соответствии со сходством в электронном строении элементы одной группы имеют и сходные свойства.
К таким периодически изменяющимся свойствам металлов относятся: твердость, абсолютная температура плавления, средний коэффициент теплового расширения, атомный объем и др. 
В природе металлы, за исключением золота, серебра, платины и меди, существуют в составе химических соединений – окислов, сульфатов и прочих, образующих руды. Из руды различными металлургическими способами извлекают металлы: дроблением руды, обогащением и сепарацией и далее выплавкой соответственно чугуна или слитков цветных металлов. Чугун используется собственно и как чугун, как материал для выплавки сталей.
Стальные слитки и слитки цветных металлов в дальнейшем перерабатываются для сортового проката в виде рельсов, балок, прутков, полос, листов, уголков, швеллеров, проволоки и т. п.  Соответственно, выпуском чугуна и сталей занимается черная металлургия, а производством цветных металлов – цветная металлургия.
Технически чистые металлы характеризуются низкой прочностью и высокой пластичностью, поэтому в технике применяют различные металлические сплавы. Сплав  – вещество, полученное сплавлением двух или более элементов.
Элементами сплавов могут быть металлы и неметаллы. Эти элементы называются компонентами сплава . В сплавах, кроме основных элементов, могут содержаться примеси . Примеси могут быть полезными, если они улучшают свойства сплава, или вредными, если они ухудшают свойства сплава. Примеси можно выделить как специальные, которые ввели в сплав для придания ему требуемых свойств, так и случайные, попавшие в сплав случайно при его приготовлении.
Сплавы делятся по следующим признакам:
• черные сплавы  на основе железа – это стали  и чугуны ;
• легкие цветные сплавы  с малой плотностью на основе алюминия, магния, титана, бериллия;
• тяжелые цветные сплавы  с высокой плотностью на основе меди, свинца, олова и др.;
• легкоплавкие цветные сплавы  на основе цинка, кадмия, олова, и др.;
• тугоплавкие цветные сплавы  на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и пр.

Кристаллическое строение металлов

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Атомы в твердом металле расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки . Расстояние между атомами называют параметрами кристаллической решетки  и измеряют в нанометрах . Типы кристаллических решеток изображены на рисунке 37.
Свойства металлов таковы, что при повышении температуры или давления параметры решеток могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии при различных температурах изменяют строение своих кристаллических решеток, что всегда приводит к изменению физико-химических свойств металлов.
Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название аллотропии , или полиморфизма . Температура при этих фазовых превращениях называется критической , а перестройка кристаллических форм – полиморфными превращениями. 
Основоположником изучения термических превращений в сталях (сплавах «железо-углерод») был русский ученый Д. К. Чернов. Им было открыто, что при нагреве твердой стали до определенных температур, зависящих от ее состава, в ней происходят внутренние превращения, приводящие к изменению свойств. Открытие Д. К. Чернова, получившее всемирное признание в 1868 году, показало связь между составом, строением и свойствами стали. Работы Чернова легли в основу учения о термообработке стали. Им были открыты дендритные кристаллы, критические точки термических превращений и теория литья стали и сплавов, изучены процессы кристаллизации слитков металла.

Рис. 37. 
Кристаллические решетки металлов: 
1 – объемно-центрированного куба (ОЦК); 2 – гранецентрированного куба (ГЦК); 
3 – гексагональная плотно упакованная решетка (ГПР) 

Кристаллическое строение и кристаллизация сплавов

Строение сплавов более сложное, чем строение чистого металла, и зависит от взаимодействия компонентов при кристаллизации.
Компоненты сплава при кристаллизации могут образовывать:
• твердые растворы,  когда элементы сплава взаимно растворяются один в другом;
• механическую смесь  – при полной взаимной нерастворимости, когда сплав состоит из смеси кристаллов составляющих ее компонентов;
• химическое соединение , при котором компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, образуя новую кристаллическую решетку.
Процесс перехода сплава из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллических решеток (кристаллов) называется первичной кристаллизацией . Свойства металлических сплавов зависят от образующейся в процессе кристаллизации структуры . Под структурой понимают наблюдаемое кристаллическое строение сплава. Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей – центров кристаллизации. 
Скорость кристаллизации зависит от скорости зарождения центров кристаллизации и скорости роста кристаллов в прямой зависимости, т. е. чем выше скорость роста кристаллов и больше число образующихся зародышей, тем быстрее протекает процесс кристаллизации сплава. Внутренняя структура сплава зависит от формы ориентировки кристаллических решеток в пространстве и скорости кристаллизации.
Центрами кристаллизации могут быть группы элементарных кристаллических решеток, неметаллические включения, тугоплавкие примеси. Процесс кристаллизации обычно начинается в направлении, противоположном отводу тепла.
Если процесс роста кристаллов не ограничивается, то образуются кристаллы неограниченной длины, в форме дерева или елочек-дендриты (рис. 38).

Рис. 38. 
Схема строения поликристалла (а), и дендритный кристалл (б) 

Так как процесс кристаллизации происходит в различных направлениях из многих центров кристаллизации, то ветви дендритов обычно искажаются, ограничивая при этом рост других кристаллов. Кристаллы неправильной формы называются зернами,  или кристаллитами . В месте соприкосновения кристаллов рост их граней прекращается, и развиваются только отдельные грани. Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов влияют на величину зерна и, следовательно, на свойства металлов. При этом особую роль играет скорость охлаждения и переохлаждения расплавленного металла.
Зерна отличаются размером и ориентацией в кристалле. Они обычно повернуты относительно друг друга на десятки градусов. На границах зерен находится поврежденный переходный слой, порядка нескольких атомных слоев. Свойства и химический состав этого слоя могут сильно отличаться от свойств и состава зерен основного металла или сплава.
Кристаллические решетки могут иметь структурные дефекты: точечные, линейные, поверхностные , возникающие в результате вакансий (перемещения на свободные места) атомов.
При наличии таких дефектов зерно (кристаллит) разделяется на блоки в виде микромозаичной структуры  (рис. 38).
При переходе сплава из жидкого состояния в твердое происходит усадка , т. е. уменьшение удельного объема зерен кристаллов. В результате усадки между зернами кристаллов в местах соприкосновения растущих дендритов в междуосных пространствах возникают микропустоты. Пустоты могут заполняться неметаллическими включениями (фосфидами, сульфидами и т. п.) или оставаться в виде раковин, микротрещин, пустот. Такие включения становятся центрами развития трещин, надрывов при приложении нагрузки или нагреве.

Характеристика свойств металлов и сплавов

В настоящее время известно 65 металлов. Но чистые металлы применяют редко, в основном в технике применяются сплавы. Например, сплав железа с углеродом насчитывает более 12 000 железных сплавов, главным образом сталей.
Все металлы и сплавы обладают свойствами, которые разделяют на:
• механические свойства; 
• физические свойства; 
• химические свойства; 
• технологические свойства; 
• эксплуатационные свойства. 

Механические свойства металлов и сплавов

Основные механические свойства:
• прочность; 
• пластичность; 
• твердость; 
• ударная вязкость. 
Приложение внешней нагрузки вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.
Напряжение  – это нагрузка (сила), отнесенная к площади сечения материала.
Деформация  – это изменение форм и размеров при приложении внешних сил.
Деформация может быть упругой , т. е. исчезающей после снятия нагрузки, или пластической , т. е. остающейся после снятия нагрузки.
Прочность  – способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению при воздействии внешних сил статического или динамического характера. Прочность определяют с помощью специальных механических испытаний образцов, изготовленных из исследуемого материала.
Пластичность  – способность материала получать остаточное изменение формы и размера без разрушения. Пластичность характеризуется относительным удлинением при разрыве.
Твердость  – способность материала сопротивляться внедрению в него другого тела. Твердость тесно связана с прочностью.
Ударную вязкость  оценивают при динамических испытаниях.

Физические свойства металлов и сплавов

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся:
• температура плавления ;
• плотность; 
• температурный коэффициент; 
• электросопротивление; 
• теплопроводность. 
Физические свойства металлов и сплавов обусловлены их составом и структурой.

Химические свойства металлов и сплавов

К химическим свойствам относится способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами. 

Технологические свойства металлов и сплавов

Технологические свойства – это способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки.
У металлов и сплавов такими свойствами являются:
• литейные свойства  определяются жидкотекучестью, усадкой и т. п.;
• деформируемость  – способность принимать форму под нагрузкой без разрушения;
• свариваемость  – способность образовывать сварное (неразъемное) соединение требуемого качества;
• обрабатываемость  режущим инструментом.

Эксплуатационные свойства металлов и сплавов

Эксплуатационные, или служебные, свойства металлов и сплавов определяются условиями работы машин или конструкций, изготовленных из этих материалов.
В зависимости от условий работы выделяют:
• коррозионную стойкость  – сопротивление действию агрессивной среды;
• хладостойкость  – сохранение свойств пластичности при температуре ниже 0 °C;
• жаропрочность  – сохранение механических свойств при высоких температурах;
• жаростойкость  – способность сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах;
• антифрикционность  – способность сплава прирабатываться к другому сплаву.
Около 90 % выплавляемой стали и большую часть цветных металлов перерабатывают прокаткой . При прокатке металл в слитках, полученных выплавкой, проходит через специальные вращающиеся валки, деформируется и принимает различные формы в зависимости от вида прокатки и формы валков.

Сортамент проката. Классификация и маркировка сталей

Почти весь сортамент (кроме специального назначения) выпускается в соответствии с ГОСТом (Государственным общесоюзным стандартом). В ГОСТах на сортамент проката приведены площадь поперечного сечения, размеры, масса 1 п. м длины профиля и допустимые отклонения от номинальных размеров.
Форму поперечного сечения прокатанного металла называют профилем .
Совокупность форм и размеров профилей, получаемых прокаткой, называют сортаментом .

Сортамент проката

Сортамент проката делится на 4 основные группы:
• сортовой прокат  – профили простой геометрической формы;
• фасонный  (швеллер, рельс, уголок, тавр и т. д.);
• листовой прокат  – фольга (толщина проката менее 0,2 мм);
• тонколистовой  (толщина менее 4 мм);
• толстолистовой  (толщина 4–160 мм);
• трубы (трубный прокат)  – бесшовные трубы диаметром 30–650 мм;
• сварные (шовные) трубы  диаметром 5–2500 мм;
• специальные виды проката  – кольца, колеса, шары и т. п.

Классификация сталей

Стали классифицируют по назначению, химическому составу, качеству. По химическому составу классифицируют главным образом конструкционные стали.
Конструкционными называют стали, предназначенные для изготовления деталей машин и металлических конструкций. Конструкционные стали делят на углеродистые  и легированные. 
Углеродистые  стали могут быть:
• низкоуглеродистые – с содержанием углерода не более 0,09–0,25 %;
• среднеуглеродистые – с содержанием углерода в пределах 0,25–0,45 %;
• высокоуглеродистые – с содержанием углерода 0,45–0,75 %.
По назначению применения  стали подразделяют на: 
• строительные стали  – углеродистые и низколегированные, обыкновенного качества, т. е. для конструкций общего назначения;
• инструментальные стали  для изготовления режущих и измерительных инструментов, штампов и т. п.;
• машиностроительные стали специализированного и общего назначения для изготовления деталей, машин, строительных конструкций;
• стали с особыми свойствами, которые подразделяют на стали с особыми физическими, химическими и технологическими свойствами (магнитные, жаропрочные, коррозионностойкие).
По качеству   стали классифицируют на стали обыкновенного качества , качественные, высококачественные, особовысококачественные.
Качество стали определяется условиями металлургического производства и содержанием в них вредных примесей.
Стали классифицируют на группы А, Б, В:
А – стали обыкновенного качества,  с механическими свойствами ниже, чем у других групп сталей. Основным элементом, определяющим эти механические свойства, является углерод. Эти стали имеют повышенное содержание серы (до 0,06 %) и фосфора (до 0,07 %).
Б – качественные стали , углеродистые или легированные с содержанием серы и фосфора не более 0,035 %.
В – высококачественные , в основном легированные стали. Содержание серы и фосфора не более 0,025 %.
Особовысококачественные стали.  Это стали специального назначения, с содержанием серы и фосфора не более 0,015 %.
По химическому составу   стали делят на углеродистые  и легированные. 
По способу раскисления   стали классифицируют на:
• спокойные стали , когда сталь хорошо раскислена марганцем, кремнием, алюминием и ее затвердевание проходит без выделения газов;
• кипящие стали,  когда сталь раскислена только марганцем и при ее затвердении происходит бурное выделение углекислого газа, создавая впечатление кипения стали;
• полуспокойные стали  – раскислены марганцем и алюминием и занимают промежуточное положение между кипящей и спокойной сталью.

Маркировка сталей

Принятая буквенно-цифровая система обозначений сталей является простой и наглядной.
• Стали обыкновенного качества  (группа А) обозначают Ст0–Ст6.
• Углеродистые стали .
Углеродистые стали, за исключением сталей обыкновенного качества, маркируют по содержанию углерода.
• Углеродистые качественные конструкционные стали  маркируют двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Например, сталь 40 содержит 0,4 % С и т. д. Если сталь при этом раскислена не полностью, то в обозначении добавляют индексы: «пс» – для полуспокойной стали и «кп» – для кипящей стали. Для спокойных сталей индекс не применяют. Например, сталь 08кп содержит 0,08 % С, это кипящая сталь.
• Углеродистые качественные инструментальные стали  маркируют буквой «У», и следующие за ней цифры указывают на среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь У8 содержит 0,8 % С, это качественная инструментальная сталь. Если сталь при этом высококачественная, то в конце следует буква «А». Например, У12А.
• Конструкционные легированные стали . Легирующие элементы вводят в стали специально с целью изменения свойств. Легирующие элементы обозначают русскими буквами. Цифры после буквы указывают примерное содержание данного легирующего элемента, округленного до целого числа процентов.

Буквенное обозначение легирующих элементов:

А – азот, если буква находится в середине марки;
Б – ниобий;
В – вольфрам;
Г – марганец;
Д – медь;
К – кобальт;
М – молибден;
Н – никель;
П – фосфор;
Р – бор;
С – кремний;
Т – титан;
X – хром;
Ц – цирконий;
Ю – алюминий.

Таблица 3 
Основные стандартные металлические профили 

Цифры после буквы указывают примерное содержание данного легирующего элемента, округленного до целого числа процентов. Если после буквы цифра не поставлена, это означает, что данного элемента не более 1 %.
Две цифры в начале марки стали указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 40Х содержит 0,33–0,44 % углерода и 0,8–1,1 % хрома. Буква «А» в конце означает, что сталь высококачественная, например, сталь ЗОХГСА содержит примерно 0,3 % углерода и менее 1 % хрома, марганца и кремния, высококачественная.

Инструментальные легированные стали

В легированных инструментальных сталях одна цифра в начале марки указывает на среднее содержания углерода в десятых долях процента. Например, сталь 7ХЗ означает, что углерода содержится примерно 0,7 %, хрома примерно 3 %.
Также при содержании углерода 1 % и более цифру, указывающую содержание углерода в марке, опускают. Например, ХВГ означает, углерода в стали более 1 %, остальных легирующих элементов – хрома, ванадия, марганца – около 1 %.

Стали специального назначения (особовысококачественные)

Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения, характеризующие тип или группу сталей.
Например, буквы, стоящие впереди марки, означают:
А – автоматные стали (для скоростной обработки на автоматных станках);
Ш (ШХ) – шарикоподшипниковые стали (если буква ставится впереди марки);
Ш – сталь электрошлакового переплава (если буква ставится в конце марки);
Р – быстрорежущие стали (от англ. «rapid» – быстрый);
Е – магнитные стали;
Э – электротехнические, кремнистые стали.
Сложного состава высоколегированные стали на металлургическом заводе иногда обозначают упрощенно, например, ЭИ482 – сталь производства завода «Электросталь», для исследовательских целей. Иногда обозначают номер разработки стали. Например, сталь 40Х15Н7ГФ2МС или ЭП388.
В сварных конструкциях применяют в основном низко-углеродистые стали.

Глава 5
Сварные соединения и швы

Классификация основных типов сварных соединений

Сварка – это процесс получения монолитного неразъемного соединения материалов за счет необратимых термодинамических процессов превращения энергии и вещества в зоне соединения.
Сварным соединением  называется неразъемное соединение деталей, выполненное сваркой.
В конструкциях применяются следующие основные типы сварных соединений:
С:  стыковое соединение  – это сварное соединение двух элементов, примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями.
Н:  нахлесточное соединение  – сварное соединение, в котором сварные элементы расположены параллельно и частично перекрывают друг друга.
Т:  тавровое соединение  – сварное соединение, в котором торец одного элемента примыкает под углом к боковой поверхности другого элемента.
У:  угловое соединение  – сварное соединение двух элементов, расположенных под углом и сваренных в месте примыкания их краев.
Когда боковые поверхности сваренных элементов примыкают друг к другу, угловое соединение называют торцовым .
Сварку выполняют при помощи сварных швов.
Сварной шов  – этот участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла или в результате пластической деформации при сварке давлением или сочетанием кристаллизации и давления.
С помощью, например, дуговой или газовой сварки можно выполнить стыковой или угловой шов.
Стыковой шов  – это сварной шов стыкового соединения.
Угловой шов  – это сварной шов углового, нахлесточного или таврового соединения (ГОСТ 2601–84).
В угловых соединениях стыковой шов чаще всего называют торцовым , а в тавровых соединениях – швом с глубоким противлением. 

Рис. 39. Виды сварных соединений: 
1 – стыковое; 2– нахлесточное; 3 – тавровое; 4 – угловое 

Рис. 40. 
Стыковой (а) и угловой (б) сварные швы 

Стыковые соединения

Стыковые швы выполняют с разделкой кромок или без разделки кромок.
Стыковые соединения без разделки кромок  применяют для листов с толщинами до 12 мм. Кромки листов при этом срезают под прямым углом и при сварке располагают с зазором в 1–2 мм. Листы толщиной до 4 мм сваривают односторонним швом, а 4–12 мм – двухсторонним швом. Стыковое сварочное соединение является наиболее распространенным. Оно имеет высокую прочность при статических и динамических нагрузках. Рационально применять его для соединения листового металла, а также для соединения (стыковки) различных профилей: балок, уголков и т. п.
Разделку кромок для сварки в стык  выполняют с целью получения высокопрочного соединения и проварки кромок деталей. По форме кромок разделка соответственно называется: V-образная, К-, Х-, U-образная или с ломанными краями.

Таблица 4 
Стандарты на дуговую сварку 

Стыковое соединение с V-образной разделкой применяют для сварки металла толщиной 3–60 мм. При этом разделка металла может быть одно– и двухсторонней. При толщинах металла 15–100 мм применяют двухстороннюю V-образную разделку с криволинейным скосом одной или обеих кромок. Стыковые соединения с Х– и К-образными скосами кромок применяют при сварке металла толщиной 8–175 мм. При этом расход электродов и электроэнергии почти в 2 раза меньше, чем при V-образной разделке. Кроме того, такая разделка обеспечивает меньшую деформацию после сварки.

Нахлесточные соединения

Соединение внахлестку применяют при сварке листовых конструкций, разного рода конструкций обшивок, строительных ферм, колонн, мачт и т. п.
Нахлесточные соединения менее прочны, ведут к перерасходу металла. Эти соединения неэкономичны при толщинах металла более 20 мм.
Соединения внахлест применяют при толщинах металла 2–60 мм. Их выполняют наложением одного элемента на другой. Величина перекрытия больше удвоенной суммы толщин свариваемых кромок. Свариваемые поверхности практически не обрабатывают, за исключением зачистки кромок. Листы проваривают с двух сторон, для исключения проникновения влаги в зазор при эксплуатации. Сварку ведут угловым швом.

Тавровые соединения

Тавровые сварные соединения применяют для производства балок, стоек, колонн, каркасов зданий и прочих пространственных конструкций. Тавровые соединения могут быть с подготовкой кромок или без нее. В соединениях без подготовки может быть непровар корня шва. Поэтому такие соединения плохо работают при переменных и ударных нагрузках. Одно– или двухсторонний скос обеспечивает полный провар соединяемых элементов. Эти соединения имеют высокую прочность при любых нагрузках.

Рис. 41.  Основные положения сварных швов в пространстве: 
1 – нижнее; 2 – горизонтальное; 3 – вертикальное; 4 – потолочное 

Угловые соединения

Как правило, угловые соединения применяют в качестве связующих элементов. Угловые соединения обычно не рассчитывают.

Классификация основных типов сварных швов

Угловые или стыковые сварные швы по положению в пространстве  подразделяются (согласно ГОСТ 11969–79) на:
Н, Л – нижнее и в лодочку, соответственно;
Пг – полугоризонтальные;
Г – горизонтальные;
Пв – полувертикальные;
В – вертикальные;
Пп – полупотолочные;
П – потолочные.

По протяженности   (рис. 42) различают:
• швы сплошные; 
• швы прерывистые (в шахматном порядке, цепные швы). 

По отношению к направлению действующих усилий   (рис 42б) различают:
• швы продольные; 
• швы поперечные; 
• комбинированные швы; 
• косые швы. 

По форме наружной поверхности   (рис. 43) стыковые швы могут быть выполнены:
• нормальными (плоскими); 
• выпуклыми или вогнутыми. 
Выпуклые швы лучше работают при статических нагрузках, а плоские (нормальные) и вогнутые лучше работают при знакопеременных и динамических нагрузках, т. к. нет резкого перехода от основного металла к сварному шву.
По условиям работы сварного узла   при эксплуатации изделия сварные швы подразделяют на рабочие , непосредственно несущие нагрузку, и на соединительные  (связующие) швы. Связующие швы иногда называют нерабочими швами. Они служат для скрепления частей или деталей. Например, «прихватки» – связующие короткие швы для скрепления деталей перед сваркой.
На чертежах сварные швы в соответствии с ГОСТом 2.312–84 обозначают основными линиями с видимой стороны и штриховыми – с невидимой стороны. К ним подходит односторонняя стрелка с полкой, над которой пишут условное обозначение шва:
1 – место специального знака: 
– шов замкнутый, контурный; 
– шов монтажный; 
– шов контурный, незамкнутый и т. п.; 
2 – место стандарта (ГОСТа) – см. табл. 4; 
3 – буквенно-цифровое обозначение сварного шва – см. табл. 4; 
4 – условное обозначение способа сварки: 
А – автоматическая сварка; 
П – механизированная сварка; 
У – сварка в углекислом газе; 
И – сварка в инертном газе; сварка дуговая и ручная не обозначаются; 
5 – условный знак профиля шва и его катет (для угловых швов); 
6 – длина и расположение участков прерывистых швов. 

Рис. 42. 
Классификация сварных швов: 
по протяженности (а):  
1 – сплошной; 2 – цепной; 3 – шахматный; 
по направлению действующих усилий (б):  
1 – продольный; 2 – поперечный; 3 – комбинированный 

Рис. 43. 
Классификация сварных швов по форме наружной поверхности: 
1 – нормальный шов; 2 – выпуклый шов; 3 – вогнутый шов 

Рис. 44.  Обозначение позиций сварного шва по ГОСТу 2.312–84. 

Пример обозначения сварного таврового соединения Т4, выполненного углекислотным полуавтоматом, для монтажных целей, с незамкнутым контуром и длиной катета шва 4 мм, длина провара 50 мм, шаг сварки 150 мм, изображен на рис. 45.

Рис. 45.  Пример обозначения сварочного шва по ГОСТу 2.312–84 

Глава 6
Производство сварочной дуги

Определение сварочной дуги, ее строение, условия зажигания и горения

Электрической сварочной дугой  называют устойчивый электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров материалов, происходящий при давлении, близком к атмосферному, используемом при сварке, и характеризуемый высокой плотностью тока и высокой температурой.
Температура в столбе сварочной дуги достигает 5 000–12000 °C и зависит от плотности тока, состава газовой среды дуги, материала и диаметра электрода. А потому сварочная дуга является мощным концентрированным источником теплоты. Электрическая энергия, потребляемая дугой, в основном превращается в тепловую энергию.
В столбе сварочной дуги протекают следующие процессы:  
1. Столб дуги заполнен заряженными частицами – электронами  и ионами . В нем присутствуют также и нейтральные частицы  – атомы и даже молекулы паров веществ, из которых сделаны электроды. Под действием электродинамических сил частицы перемещаются. Скорость их перемещения различна. Быстрее всего перемещаются электроны. Они легко разгоняются и, сталкиваясь с атомами и ионами, передают им свою энергию. Столкновения электронов с атомами могут быть упругими и неупругими. При упругих столкновениях атомы начинают двигаться быстрее – увеличивается их кинетическая энергия. В результате повышается температура плазмы дуги.
2. Электрон, который в электрическом поле приобрел достаточно большую энергию, является источником неупругих столкновений. Столкнувшись с атомом, он возбуждает его, а когда удар достаточно силен, то и выбивает из атома его собственные электроны.
Энергию, которая должна быть сообщена электрону для ионизации какого-либо атома, выражают в электронвольтах (эВ) и называют потенциалом ионизации . Величина потенциала ионизации зависит от строения атома. Чем меньше номер группы и больше номер периода в таблице элементов Менделеева, тем меньше энергии необходимо затратить для ионизации. Наименьшим потенциалом ионизации (3,9 эВ) обладает атом цезия , поскольку он самый тяжелый из всех щелочных металлов. Самый легкий из инертных газов – элемент последней, нулевой группы – гелий  обладает наивысшим потенциалом ионизации (24,5 эВ).
Энергия, расходуемая на диссоциацию (разделение) различных молекул, также различна. Так, например, для диссоциации молекулы водорода  необходимо затратить 4,48 эВ, фтора  – 1,6 эВ, а углекислого газа  – 9,7 эВ. Эти величины имеют для сварщиков особое значение. При разработке электродных покрытий, флюсов и проволок приходится учитывать, молекулы каких веществ диссоциируют раньше, а каких – позже, какие элементы ионизируются легче, а какие – труднее, и сколько для этого потребуется энергии.
В зависимости от числа электродов и способов включения электродов и свариваемой детали в электрическую цепь   различают следующие виды сварочных дуг (рис. 46):
1. Прямого действия,  когда дуга горит между электродом и изделием.
2. Косвенного действия,  когда дуга горит между двумя электродами, а свариваемое изделие не включено в электрическую цепь.
3. Трехфазную дугу,  возбуждаемую между двумя электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.

Рис. 46. 
Виды сварочных дуг: 
а – прямого; б – косвенного; в – комбинированного действия (трехфазная) 

По роду тока   различают дуги, питаемые переменным и постоянным током. При использовании постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярности.
При прямой полярности   электрод подключается к отрицательному полюсу и служит катодом, а изделие – к положительному полюсу и служит анодом.
При обратной полярности   электрод подключается к положительному полюсу и служит анодом, а изделие – к отрицательному и служит катодом.
В зависимости от материала электрода   различают дуги между неплавящимися электродами (угольными, вольфрамовыми) и плавящимися металлическими электродами.
Сварочная дуга обладает рядом физических и технологических свойств, от которых зависит эффективность использования дуги при сварке.
К физическим свойствам  относятся электрические, электромагнитные, кинетические, температурные, световые.
К технологическим свойствам  относятся мощность дуги, пространственная устойчивость, саморегулирование.
Электрическим разрядом в газе  называют электрический ток, проходящий через газовую среду благодаря наличию в ней свободных электронов, а также отрицательных и положительных ионов, способных перемещаться между электродами под действием приложенного электрического поля (разности потенциалов между электродами.
Сварка дугой переменного тока имеет некоторые особенности. Вследствие того, что мгновенные значения тока переходят через нуль 100 раз в 1 с, меняет свое положение катодное пятно , являющееся источником электронов, ионизация дугового промежутка менее стабильна и сварочная дуга менее устойчива по сравнению с дугой постоянного тока.
Общепринятой мерой повышения стабилизации сварочной дуги переменного тока является включение в сварочную цепь последовательно с дугой индуктивного сопротивления. Последовательное включение в сварочную цепь катушек со стальным сердечником (дросселей) позволяет вести сварочные работы металлическими электродами на переменном токе при напряжении сварочного трансформатора 60–65 В.
Процесс, при котором из нейтральных атомов и молекул образуются положительные и отрицательные ионы, называют ионизацией . При обычных температурах ионизацию можно вызвать, если уже имеющимся в газе электронам и ионам сообщить при помощи электрического поля большие скорости. Обладая большой энергией, эти частицы могут разбивать нейтральные атомы и молекулы на ионы. Кроме того, ионизацию можно вызвать световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами, а также излучением радиоактивных веществ.
В обычных условиях воздух, как и все газы, обладает весьма слабой электропроводностью. Это объясняется малой концентрацией свободных электронов и ионов в газах. Поэтому, чтобы вызвать в газе мощный электрический ток, т. е. образовать электрическую дугу, необходимо ионизировать воздушный промежуток (или другую газообразную среду) между электродами.
Ионизацию можно произвести, если приложить к электродам достаточно высокое напряжение, тогда имеющиеся в газе свободные электроны и ионы будут разгоняться электрическим полем и, получив энергию, смогут разбить нейтральные молекулы на ионы.
Однако при сварке, исходя из правил техники безопасности, нельзя пользоваться высокими напряжениями. Поэтому применяют другой способ. Так как в металлах имеется большая концентрация свободных электронов, то надо извлечь эти электроны из объема металла в газовую среду и затем использовать для ионизации молекул газа.
Существует несколько способов извлечения электронов из металлов. Из них для процесса сварки имеют значения два: термоэлектронная  и автоэлектронная эмиссии. 
Во время термоэлектронной эмиссии происходит «испарение» свободных электронов с поверхности металла благодаря высокой температуре. Чем выше температура металла, тем большее число свободных электронов приобретают энергии, достаточные для преодоления «потенциального барьера» в поверхностном слое и выхода из металла.
Во время автоэлектронной эмиссии извлечение электронов из металла производится при помощи внешнего электрического поля, которое несколько изменяет потенциальный барьер у поверхности металла и облегчает выход тех электронов, которые внутри металла имеют достаточно большую энергию и могут преодолеть этот барьер.
Ионизацию, вызванную в некотором объеме газовой среды, принято называть объемной .
Объемная ионизация, полученная благодаря нагреванию газа до очень высоких температур, называется термической . При высоких температурах значительная часть молекул газа обладает достаточной энергией для того, чтобы при столкновениях могло произойти разбиение нейтральных молекул на ионы. Кроме того, с повышением температуры увеличивается общее число столкновений между молекулами газа. При очень высоких температурах в процессе ионизации начинает также играть заметную роль излучение газа и раскаленных электродов.
Ионизация газовой среды характеризуется степенью ионизации, т. е. отношением числа заряженных частиц в данном объеме к первоначальному числу частиц (до начала ионизации). При полной ионизации степень ионизации будет равна единице.
При температуре 6000–8000 °C такие вещества, как калий, натрий, кальций, обладают достаточно высокой степенью ионизации. Пары этих элементов, находясь в дуговом промежутке, обеспечивают легкость возбуждения и устойчивое горение дуги. Это свойство щелочных металлов объясняется тем, что атомы этих металлов обладают малым потенциалом ионизации. Поэтому для повышения устойчивости горения электрической дуги эти вещества вводят в зону дуги в виде электродных покрытий или флюсов.
Электрическая дуга постоянного тока возбуждается при соприкосновении торца электрода и кромок свариваемой детали. Контакт в начальный момент осуществляется между микровыступами поверхностей электрода и свариваемой детали. Высокая плотность тока способствует мгновенному расплавлению этих выступов и образованию пленки жидкого металла, которая замыкает сварочную цепь на участке «электрод – свариваемая деталь». При последующем отводе электрода от поверхности детали на 2–4 мм пленка жидкого металла растягивается, а сечение уменьшается, вследствие чего возрастает плотность тока и повышается температура металла.
Эти явления приводят к разрыву пленки и испарению вскипевшего металла. Возникшие при высокой температуре интенсивные термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии обеспечивают ионизацию паров металла и газов межэлектродного промежутка. В образовавшейся ионизированной среде возникает электрическая сварочная дуга. Процесс возбуждения дуги кратковременен и осуществляется в течение долей секунды.
В установившейся сварочной дуге различают три зоны: катодную, анодную  и столба дуги. 
Катодная зона  начинается с раскаленного торца катода, на котором расположено так называемое катодное пятно. Отсюда вылетает поток свободных электронов, осуществляющих ионизацию дугового промежутка. Плотность тока на катодном пятне достигает 60–70 А/мм2 к катоду устремляются потоки положительных ионов, которые бомбардируют и отдают ему свою энергию, вызывая нагрев до температуры 2500–3000 °C.
Анодная зона  расположена у торца положительного электрода, в котором выделяется небольшой участок, называемый анодным пятном. К анодному пятну устремляются и отдают свою энергию потоки электронов, разогревая его до температуры 2500–4000 °C.
Столб дуги,  расположенный между катодной и анодной зонами, состоит из раскаленных ионизированных частиц. Температура в этой зоне достигает 6000–7000 °C в зависимости от плотности сварочного тока.
Для возбуждения дуги в начальный момент необходимо несколько большее напряжение, чем при ее последующем горении. Это объясняется тем, что при возбуждении дуги воздушный зазор недостаточно нагрет, степень ионизации недостаточно высокая и необходимо большее напряжение, способное сообщить свободным электронам достаточно большую энергию, чтобы при их столкновении с атомами газового промежутка могла произойти ионизация.
Увеличение концентрации свободных электронов в объеме дуги приводит к интенсивной ионизации дугового промежутка, а отсюда к повышению его электропроводности. Вследствие этого напряжение тока падает до значения, которое необходимо для устойчивого горения дуги. Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи называют статической вольт-амперной характеристикой дуги .
Вольт-амперная характеристика дуги имеет три области: падающую, жесткую  и возрастающую. 
В первой (до 100 А) с увеличением тока напряжение значительно уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повышении тока увеличивается поперечное сечение, а следовательно, и проводимость столба дуги.
Во второй области (100–1000 А) при увеличении тока напряжение сохраняется постоянным, так как сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются пропорционально току. Область характеризуется постоянством плотности тока.
В третьей области увеличение тока вызывает возрастание напряжения вследствие того, что увеличение плотности тока выше определенного значения не сопровождается увеличением катодного пятна ввиду ограниченности сечения электрода.
Дуга первой области горит неустойчиво и поэтому имеет ограниченное применение. Дуга второй области горит устойчиво и обеспечивает нормальный процесс сварки.
Необходимое напряжение для возбуждения дуги зависит от рода тока (постоянный или переменный), материала электрода и свариваемых кромок, дугового промежутка, покрытия электродов и ряда других факторов. Значения напряжений, обеспечивающих возникновение дуги в дуговых промежутках, равных 2–4 мм, находятся в пределах 40–70 В.
Напряжение для установившейся сварочной дуги определяется по формуле:

U= a + b × l,

где: а – коэффициент, по своей физической сущности составляющий сумму падений напряжений в зонах катода и анода, В;
b – коэффициент, выражающий среднее падение напряжения на единицу длины дуги, В/мм;
1 – длина дуги, мм.

Рис. 47. 
Схема сварочной дуги и падения напряжений в ней: 
1 – электрод; 2 – изделие; 3 – анодное пятно; 
4 – анодная область дуги; 5 – столб дуги; 
6 – катодная область дуги; 7 – катодное пятно 

Длиной дуги  называется расстояние между торцом электрода и поверхностью сварочной ванны. Короткой дугой  называют дугу длиной 2–4 мм. Длина нормальной дуги  составляет 4–6 мм. Дугу длиной более 6 мм называют длинной .
Оптимальный режим сварки обеспечивается при короткой дуге. При длинной дуге процесс протекает неравномерно, дуга горит неустойчиво – металл, проходя через дуговой промежуток, больше окисляется и азотируется, увеличиваются угар и разбрызгивание металла.
При помощи магнитных полей, создаваемых вокруг дуги и в свариваемой детали, электрическая сварочная дуга может быть отклонена от своего нормального положения. Эти поля действуют на движущиеся заряженные частицы и тем самым оказывают воздействие на всю дугу. Такое явление называют магнитным дутьем. Воздействие магнитных полей на дугу прямо пропорционально квадрату силы тока и достигает заметного значения при сварочных токах более 300 А.
Магнитные поля оказывают отклоняющее действие на дугу при неравномерном и несимметричном расположении поля относительно дуги. Наличие вблизи сварочной дуги значительных ферромагнитных масс нарушает симметричность магнитного поля дуги и вызывает отклонение дуги в сторону этих масс.
В некоторых случаях магнитное дутье затрудняет процесс сварки, и поэтому принимаются меры по снижению его действия на дугу. К таким мерам относятся:
• сварка короткой дугой;
• подвод сварочного тока в точке, максимально близкой к дуге;
• наклон электрода в сторону действия магнитного дутья;
• размещение у места сварки ферромагнитных масс.

При использовании переменного тока анодное и катодное пятна меняются местами с частотой, равной частоте тока. С течением времени напряжение и ток периодически изменяются от нулевого значения до наибольшего. При переходе значения тока через нуль и перемене полярности в начале и в конце каждого полупериода дуга гаснет, температура активных пятен и дугового промежутка снижается. Вследствие этого происходят деионизация газов и уменьшение электропроводности столба дуги. Интенсивнее падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с отводом теплоты в массу основного металла.
Повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода возможно только при повышенном напряжении, называемом пиком зажигания.  При этом установлено, что пик зажигания несколько выше, когда катодное пятно находится на основном металле.
Для облегчения повторного зажигания, снижения пика зажигания дуги и повышения устойчивости ее горения применяют меры, позволяющие снизить эффективный потенциал ионизации газов в дуге. В этом случае электропроводность дуги после ее угасания сохраняется дольше, пик зажигания снижается, дуга легче возбуждается и горит устойчивее.
Применение различных стабилизирующих элементов (калий, натрий, кальций и др.), вводимых в зону дуги в виде электродных покрытий или в виде флюсов, относится к этим мерам.

Дуга, ее тепловая мощность

В тепловую энергию электрической дуги преобразуется энергия мощных потоков заряженных частиц, бомбардирующих катод и анод.
Суммарное количество теплоты Q (Дж), выделяемое дугой на катоде, аноде и столбе дуги, определяется по формуле:

Q=lсвUдt,

где: lсв – сварочный ток, А;
Uд – напряжение дуги, В;
t – время горения дуги, с.
При этом не вся теплота дуги затрачивается на расплавление металла, другими словами – на саму сварку. Значительная часть ее расходуется на теплоотдачу в окружающую среду, расплавление электродного покрытия или флюса, разбрызгивание и т. п.
Термином «тепловой баланс дуги» определяют характер распределения полной тепловой мощности по отдельным статьям расхода.
Наибольшее количество теплоты выделяется в зоне анода (42–43 %) при питании дуги постоянным током. Это объясняется тем, что анод подвергается более мощной бомбардировке заряженными частицами, чем катод, а при столкновении частиц в столбе дуги выделяется меньшая доля общего количества теплоты.
В столбе дуги среднее значение температуры составляет 600 °C. При сварке угольным электродом температура в катодной зоне достигает 3200 °C, в анодной – 3900 °C. При сварке металлическим электродом температура анодной зоны составляет около 2600 °C, а катодной – 2400 °C.
При решении технологических задач используются разная температура катодной и анодной зон и разное количество теплоты, выделяющееся в этих зонах. Прямую полярность, при которой анод (плюсовая клемма источника тока) подсоединяют к детали, а катод (минусовая клемма источника тока) – к электроду, применяют при сварке деталей, требующих большого подвода теплоты для прогрева кромок.
Сварку постоянным током обратной полярности применяют при сварке тонкостенных изделий, тонколистовых конструкций, а также сталей, не допускающих перегрева (нержавеющие, жаропрочные, высокоуглеродистые и др.). В этом случае катод подсоединяют к свариваемой детали, а анод – к электроду. При этом не только обеспечивается относительно меньший нагрев свариваемой детали, но и ускоряется процесс расплавления электродного материала за счет более высокой температуры анодной зоны и большего подвода теплоты. Полярность клемм источника постоянного тока может быть определена с помощью раствора поваренной соли (половина чайной ложки соли на стакан воды). Если в такой раствор опустить провода от клемм источника тока, то у отрицательного провода будет происходить бурное выделение пузырьков водорода.
Различие температур катодной и анодной зон и распределение теплоты сглаживаются вследствие периодической смены катодного и анодного пятен с частотой, равной частоте тока при питании дуги переменным током.
Практика показывает, что в среднем при ручной сварке только 60–70 % теплоты дуги расходуется на нагревание и плавление металла. Остальная часть теплоты рассеивается в окружающую среду через излучение и конвекцию.
Эффективной тепловой мощностью дуги  называется количество теплоты, используемое на нагрев и плавку свариваемого металла в единицу времени. Она равна полной тепловой мощности дуги, умноженной на эффективный коэффициент полезного действия нагрева металла дугой. Коэффициент полезного действия зависит от способа варки, материала электрода, состава электродного покрытия и других факторов. При ручной дуговой сварке электродом с тонким покрытием или угольным электродом он составляет 0,5–0,6, а при качественных электродах – 0,7–0,85. При аргонодуговой сварке потери теплоты значительны и составляют 0,5–0,6.
Наиболее полно теплота используется при сварке под флюсом.
Для характеристики теплового режима процесса сварки принято определять погонную энергию дуги, иначе говоря, количество теплоты, вводимое в металл на единицу длины однопроходного шва, измеряемое в Дж/м. Погонная энергия равна отношению эффективной тепловой мощности к скорости сварки. Потери теплоты при ручной дуговой сварке составляют примерно 25 %, из которых 20 % уходят в окружающую среду дуги через излучение и конвекцию паров и газов, а остальные 5 % – на угар и разбрызгивание свариваемого металла. Потери теплоты при автоматической сварке под флюсом составляют только 17 %, из которых 16 % расходуется на плавление флюса, а на угар и разбрызгивание затрачивается около 1 % теплоты.
Эффективной тепловой мощностью дуги  q (Дж/с) называют часть общей тепловой мощности дуги, расходуемой непосредственно на нагрев и расплавление основного и присадочного металлов. Она всегда меньше полной тепловой мощности дуги. Эффективная тепловая мощность сварочной дуги представляет собой количество теплоты, введенное дугой в свариваемую деталь в единицу времени. Она определяется уравнением:

q= IсвUдη,

где η является коэффициентом полезного действия дуги, представляющим собой соотношение эффективной тепловой мощности к полной тепловой мощности дуги.
Эффективная тепловая мощность зависит от способа сварки, материала электрода, состава покрытия или флюса и ряда других факторов.
Данные значений для различных способов сварки приведены в таблице.

Эти данные показывают, что теплота дуги наиболее рационально используется при автоматической сварке под флюсом.

Процесс переноса электродного металла

За счет энергии, выделяемой в активном пятне, расположенном на его торце, и теплоты, выделяющейся по закону Джоуля-Ленца, при протекании сварочного тока по вылету электрода осуществляются нагрев и плавление электрода.
Вылетом  называется свободный участок электрода от места контакта с токопроводом до его торца. В начальный момент ручной дуговой сварки вылет электрода составляет 400 мм и изменяется по мере плавления электрода, при автоматической сварке он равен 12–60 мм. Расплавляясь в процессе сварки, жидкий металл с торца электрода переходит в сварочную ванну в виде капель разного размера. За 1 секунду может переноситься от 1–2 до 150 капель и более в зависимости от размера. Независимо от основного положения сварки капли жидкого металла всегда перемещаются вдоль оси электрода по направлению к сварочной ванне. Это объясняется действием на каплю разных сил в дуге. В первую очередь к ним относятся гравитационная сила, электромагнитная сила, возникающая при прохождении по электроду сварочного тока, сила поверхностного натяжения, давление образующихся внутри капли газов, которые отрывают ее от электрода и дробят на более мелкие капли.
Схематично перенос металла электрода можно представить в следующем виде:
1) металл на конце электрода подплавляется и образуется слой расплавленного металла;
2) под действием сил поверхностного натяжения и силы тяжести этот слой металла принимает форму капли с образованием у основания тонкой шейки.
С течением времени поперечное сечение шейки капли уменьшается, что приводит к значительному увеличению плотности тока у шейки капли. Удлинение шейки продолжается до момента касания капли поверхности сварочной ванны. В этот момент происходит короткое замыкание сварочной цепи. Резкое возрастание тока приводит к разрыву шейки и в следующее мгновение вновь возникает, но уже между торцом электрода и каплей.
Капля под давлением паров и газов зоны дуги с ускорением внедряется в жидкий металл сварочной ванны. При этом часть металла в виде брызг выбрасывается из зоны сварки. Затем процесс каплеобразования повторяется. Время горения дуги и короткого замыкания составляет примерно 0,02–0,05 с. Частота и продолжительность короткого замыкания в значительной степени зависят от длины сварочной дуги. Чем меньше длина дуги, тем больше коротких замыканий и тем они продолжительнее.
От сварочного тока, состава и толщины электродного покрытия, положения шва зависят форма и размеры капель металла. Перенос электродного металла крупными каплями происходит при сварке на малых токах электродами с тонким покрытием.
Перенос металла в виде потока мельчайших капель происходит при больших плотностях сварочного тока и при использовании электродов с толстым покрытием.
Снижает поверхностное натяжение металла электродное покрытие. Кроме того, газообразующие компоненты, выделяя большое количество газов, создают в зоне дуги повышенное давление, которое способствует размельчению капель жидкого металла.
Газовое дутье, представляющее собой поток газов, направленный вдоль дуги в сторону сварочной ванны, действует на процесс переноса капель металла в дуге. При сварке электродом с толстым покрытием стержень электрода плавится быстрее и торец его оказывается немного прикрытым «чехольчиком» покрытия. При этом интенсивное газообразование в небольшом объеме «чехольчика» приводит к явлению газового дутья, ускоряющего переход капель металла в сварочную ванну.
Влияние силы тяжести особенно сказывается при сварке нижних швов (способствует отрыву капель) и потолочных швов (препятствует переносу металла в шов).
Важным фактором, влияющим на перенос металла в дуге, являются электромагнитные силы. Плотность тока, проходящего через жидкую каплю, велика, поэтому сжимающее действие магнитного поля оказывается заметным. Магнитное поле ускоряет образование и сужение шейки капли, а следовательно, и отрыв ее от торца электрода. Электрическое поле, напряженность которого направлена вдоль дуги в сторону сварочной ванны, действует на жидкую каплю, ускоряя процесс отрыва капель от торца электрода и переход ее в сварочную ванну металла.
При потолочной сварке действием магнитного и электрического полей, а также явлением газового дутья в дуге обеспечивается перенос капель электродного металла на свариваемый шов.
Шлаковую оболочку, которая образуется от плавления веществ, входящих в покрытие электрода, имеют капли металла, проходящие через дугу. Эта оболочка защищает металл капли от окисления и азотирования, обеспечивая хорошее качество металла шва.
Доля электродного металла в составе металла шва различна и зависит от способа и режима сварки, а также от вида сварного шва. При ручной сварке доля электродного металла колеблется в широких пределах (30–80 %), при автоматической сварке она составляет 30–40 %.
В значительной степени производительность сварки зависит от скорости расплавления электродного металла, которая оценивается коэффициентом расплавления. Коэффициент расплавления численно равен массе электродного металла (г), расплавленного в течение одного часа, приходящегося на один ампер сварочного тока. Коэффициент расплавления зависит от ряда факторов, влияющих на процесс плавки электродного металла. При обратной полярности коэффициент расплавления больше, чем при прямой полярности, так как на аноде выделяется больше теплоты и температура анода выше, чем у катода.
На коэффициент расплавления влияют состав покрытия и его толщина. Это объясняется, во-первых, значением эффективного потенциала ионизации газов, во-вторых, изменением баланса теплоты дугового промежутка. Коэффициент расплавления при ручной дуговой сварке составляет 6,5–14,5 г/(А×ч). Меньшие значения имеют электроды с тонким покрытием, а большие значения – электроды с толстым покрытием.
Коэффициентом наплавки пользуются для оценки скорости сварки шва. Этот коэффициент оценивает количество электродного металла, введенного в свариваемый шов.
Коэффициент наплавки меньше коэффициента расплавления на величину потерь электродного металла из-за угара и разбрызгивания. Эти потери при ручной сварке достигают 25–30 %, при автоматической сварке под флюсом потери составляют только 2–6 % от количества расплавленного электродного металла. Знание этих коэффициентов позволяет произвести расчет количества электродного металла для сварки шва установленного сечения и определить скорость сварки шва.

Глава 7
Дуга. Источники ее питания

Требования к источникам питания дуги

Для осуществления устойчивого дугового разряда между электродом и свариваемым изделием необходимо подвести напряжение от специального источника питания электрическим током. Такой источник должен обеспечивать легкое и надежное возбуждение дуги, устойчивое горение ее в установившемся режиме сварки, регулирование мощности (силы тока). При этом важным условием получения сварного шва высокого качества является устойчивость процесса сварки. Для этого источники питания дуги должны обеспечить возбуждение и стабильное горение дуги.
С короткого замыкания сварочной цепи (контакта между электродом и деталью) начинается возбуждение сварочной дуги. При этом происходит выделение теплоты и быстрое разогревание места контакта. Эта начальная стадия требует повышенного напряжения сварочного тока. В дальнейшем происходит некоторое уменьшение сопротивления дугового промежутка (вследствие эмиссии электронов с катода и появления объемной ионизации газов в дуге), что вызывает снижение напряжения до предела, необходимого для поддержания устойчивого горения дуги.
Очень частые короткие замыкания сварочной цепи происходят в процессе сварки при переходе капель электродного металла в сварочную ванну. Вместе с этим изменяется длина сварочной дуги. При каждом коротком замыкании напряжение падает до нулевого значения. Для последующего восстановления дуги необходимо напряжение порядка 25–30 В. Такое напряжение должно быть обеспечено за время не более 0,05 с, чтобы поддержать горение дуги в период между короткими замыканиями.
При этом следует учесть, что при коротких замыканиях сварочной цепи развиваются большие токи (токи короткого замыкания), которые могут вызвать перегрев в проводке и обмотках источника тока.
Эти условия процесса сварки определили требования, предъявляемые к источникам питания сварочной дуги. Для обеспечения устойчивого процесса сварки источники питания дуги должны удовлетворять следующим требованиям:
• напряжение холостого хода должно быть достаточным для легкого возбуждения дуги и в то же время не должно превышать норм безопасности. Максимально допустимое напряжение холостого хода установлено для источников постоянного тока 90 В; для источников переменного тока – 80 В;
• напряжение устойчивого горения дуги (рабочее напряжение) должно быстро устанавливаться и изменяться в зависимости от длины дуги. С увеличением длины дуги напряжение должно быстро возрастать, а с уменьшением – быстро падать. Время восстановления рабочего напряжения от 0 до 30 В после каждого короткого замыкания (при капельном переносе металла от электрода к свариваемой детали) должно быть менее 0,05 с;
• ток короткого замыкания не должен превышать сварочный ток более чем на 40–50 %. При этом источник тока должен выдерживать продолжительные короткие замыкания сварочной цепи. Это условие необходимо для предохранения обмоток источника тока от перегрева и повреждения;
• мощность источника тока должна быть достаточной для выполнения сварочных работ.
Типы источников питания сварочной дуги, выпускаемые промышленностью: сварочные трансформаторы, сварочные аппараты переменного тока, сварочные выпрямители.

Сварочные трансформаторы

Трансформатором  называют электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Работа трансформатора основана на электромагнитном взаимодействии двух или нескольких не связанных между собой обмоток провода.
Сварочные трансформаторы являются специальными понижающими трансформаторами, имеющими требуемую внешнюю характеристику, обеспечивающими питание сварочной дуги и регулирование сварочного тока.
Как правило, сварочные трансформаторы имеют падающую характеристику. Их используют для ручной дуговой и автоматической сварки под флюсом. Трансформаторы с жесткой характеристикой применяют для электрошлаковой сварки.
Регулирование сварочного тока и создание нужной внешней характеристики в сварочных трансформаторах обеспечиваются за счет индуктивного сопротивления, путем изменения магнитных потоков рассеяния. В зависимости от способа создания в цепи дуги индуктивного сопротивления сварочные трансформаторы делят на две группы: с нормальным магнитным рассеянием и реактивной катушкой – дросселем; с увеличенным магнитным рассеянием.
В трансформаторах с нормальным магнитным рассеянием  первичная и вторичная обмотки расположены на стержне магнитопровода концентрично, за счет чего магнитные потоки рассеяния сведены к минимуму. Для получения необходимой индуктивности в цепь дуги последовательно со вторичной обмоткой включают дополнительную реактивную катушку. В настоящее время применяют трансформаторы с совмещенной реактивной катушкой, располагаемой на общем магнитопроводе с обмотками трансформатора. При этом реактивная катушка имеет с ними как электромагнитную, так и электрическую связь.
Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием  в настоящее время менее распространены. В качестве примера трансформатора с нормальным магнитным рассеянием для автоматической сварки под флюсом можно привести трансформатор ТСД–1000–4, имеющий дистанционное управление.
Трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием  относятся к стержневому типу. В них первичная и вторичная обмотки разнесены по высоте магнитопровода и имеют только электромагнитную связь. При прохождении тока по обмоткам катушек возникают магнитные потоки, основная часть которых замыкается по сердечнику магнитопровода. Другая часть их замыкается по воздуху, создавая потоки рассеяния, наводящие в трансформаторе реактивную э.д.с. Она определяет его индуктивное сопротивление, обеспечивающее создание падающей вольт-амперной характеристики.
Сварочные трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием существуют трех типов: с раздвижными катушками, с подвижными магнитными шунтами, с управляемыми магнитными шунтами. В настоящее время трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием распространены более широко.
Трансформаторы с раздвижными катушками  состоят из магнитопровода и двух обмоток, из которых первичная закреплена неподвижно, а вторичная является подвижной. Регулирование сварочного тока осуществляется изменением расстояния между ними. При удалении вторичной катушки от первичной увеличивается магнитный поток рассеяния и уменьшаются магнитная связь между обмотками и сварочный ток. При сближении катушек уменьшается индуктивное сопротивление, что приводит к увеличению сварочного тока.
По этому принципу работают сварочные трансформаторы типа ТД, ТДМ. Трансформаторы этих типов наиболее часто используют для ручной дуговой сварки.
Сварочные трансформаторы подразделяют на группы:  
• по количеству одновременно подключенных постов  – однопостовые, предназначенные для питания одной сварочной дуги, и многопостовые, питающие одновременно несколько сварочных дуг;
• по способу установки  – стационарные, устанавливаемые неподвижно на фундаментах, и передвижные, монтируемые на тележках;
• по роду двигателей , приводящих генератор во вращение, – машины с электрическим приводом и машины с двигателем внутреннего сгорания (бензиновым или дизельным);
• по способу выполнения  – однокорпусные, в которых генератор и двигатель вмонтированы в единый корпус, и раздельные, в которых генератор и двигатель установлены в единой рамке, а привод осуществляется через специальную соединительную муфту.
Однопостовые сварочные преобразователи состоят из генератора и электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания.
Сварочные генераторы   изготовляют по электромагнитным схемам, которые обеспечивают падающую внешнюю характеристику и ограничение тока короткого замыкания. Внешняя вольт-амперная характеристика I показывает зависимость между напряжением и током на клеммах сварочной цепи генератора (рис. 48). Для устойчивости горения сварочной дуги характеристика генератора I должна пересекать характеристику дуги III. Возбуждение дуги осуществляется при соприкосновении электрода и изделия. При этом напряжение изменяется от точки 1 к точке 2. При возникновении и устойчивом горении сварочной дуги ее характеристика смещается с положения II и занимает положение III, а напряжение возрастает до значения, указанного точкой 3. Эта точка соответствует режиму устойчивого горения сварочной дуги. Ток короткого замыкания не должен превышать сварочный ток более чем в 1,5 раза.

РИС. 48.  Статистическая вольт-амперная характеристика дуги (а) и зависимость напряжения Uд от ее длины Lд (б) 

Наибольшее распространение получили однопостовые генераторы с расщепленными полюсами и генераторы с размагничивающей последовательной обмоткой. Генераторы с расщепленными полюсами работают по принципу использования магнитного потока якоря для получения падающей внешней характеристики.
Генератор (рис. 49) имеет четыре основных и два дополнительных полюса. При этом одноименные основные полюсы расположены рядом, составляя как бы один раздвоенный полюс. Обмотки возбуждения имеют две секции: регулируемую и нерегулируемую.

Нерегулируемая обмотка расположена на всех четырех основных полюсах, а регулируемая помещена только на поперечных полюсах генератора. В цепь регулируемой обмотки возбуждения включен реостат. По нейтральной линии симметрии О—О между разноименными полюсами на коллекторе генератора расположены основные щетки, к которым подключается сварочная цепь. Дополнительная щетка служит для питания обмоток возбуждения.

Сварочный ток регулируют в два приема – грубо и точно.
Грубое регулирование  производят смещением щеточной траверсы, на которой расположены все три щетки генератора. Если сдвигать щетки по направлению вращения якоря, то размагничивающее действие потока якоря увеличивается и сварочный ток уменьшается. При обратном сдвиге размагничивающее действие уменьшается и сварочный ток увеличивается. Таким образом устанавливают интервалы больших и малых токов.
Плавное точное регулирование тока  производят реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения. Увеличивая или уменьшая реостатом ток возбуждения в обмотке поперечных полюсов, изменяют магнитный поток и тем самым изменяют напряжение генератора и сварочный ток.
В генераторах с расщепленными полюсами поздних выпусков регулирование сварочного тока производится изменением числа витков секционированных обмоток полюсов генератора и реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения.
Реостат устанавливается на корпусе генератора и имеет шкалу с делениями. По такой схеме работают генераторы СГ–300М–1, используемые в преобразователях ПС–300М–1.

Рис. 49.  Принципиальная схема сварочного генератора: 
а – с независимым возбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой; б – с самовозбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой; Г – генератор; Р – реостат; НО – намагничивающая обмотка; РО – размагничивающая обмотка 

Генератор с размагничивающим действием последовательной обмотки возбуждения, включенной в сварочную цепь, имеет две обмотки: обмотку возбуждения и размагничивающую последовательную обмотку.
Обмотка возбуждения питается либо от основной и дополнительной щеток, либо от специального источника постоянного тока (от сети переменного тока через селеновый выпрямитель).
Магнитный поток Фн, создаваемый этой обмоткой, постоянен и не зависит от нагрузки генератора. Размагничивающая обмотка включена последовательно с обмоткой якоря так, что при горении дуги сварочный ток, проходя через обмотку, создает магнитный поток Фр, направленный против потока Фн. Следовательно, э.д.с. генератора будет индуцироваться результирующим магнитным потоком Фн—Фр.
С увеличением сварочного тока магнитный поток Фр возрастает, а результирующий магнитный поток Фн—Фр уменьшается. Как следствие, уменьшается индуцируемая э.д.с. генератора. Таким образом, размагничивающее действие обмотки обеспечивает получение падающей внешней характеристики генератора.
Сварочный ток регулируют переключением витков подовательной обмотки (грубая регулировка – два диапазона) и реостатом обмотки возбуждения (плавная и точная регулировка в пределах каждого диапазона). По такой схеме выпускаются генераторы ГСО–120, ГСО–300, ГСО–500, ГС–500 и др.
Сварочный трансформатор   типа ПСО–500 состоит из генератора ГСО–500 и трехфазного асинхронного электродвигателя АВ–72–4, смонтированных в едином корпусе на колесах для перемещения по строительной площадке. Трансформатор предназначен для ручной дуговой сварки, полуавтоматической шланговой и автоматической сварки под флюсом.
Грубое регулирование сварочного тока производят переключением секционированной последовательной обмотки генератора. Для этого на клеммовую доску генератора выведены один отрицательный и два положительных контакта.
Если необходим сварочный ток в пределах 120–350 А, то сварочные провода присоединяют к отрицательному и среднему положительному контактам.
При работе на токах 350–600 А сварочные провода присоединяют к отрицательному и крайнему положительному контактам. Плавно регулируют сварочный ток реостатом, включенным в цепь обмотки независимого возбуждения.
Реостат расположен на корпусе машины и имеет маховик с токоуказателем. Шкала имеет два ряда цифр, соответствующих подключаемым контактам: внутренний ряд до 350 А и наружный ряд до 600 А.
Для выполнения сварочных работ при отсутствии электроэнергии применяют подвижные сварочные агрегаты , состоящие из сварочного генератора и двигателя внутреннего сгорания.
Сварочный агрегат типа ПАС–400–VIII состоит из генератора СГП–3–VI и двигателя внутреннего сгорания ЗИЛ–120 или ЗИЛ–164. Генератор работает по схеме с размагничивающей последовательной обмоткой. Регулирование тока производят реостатом цепи основной обмотки возбуждения.
Двигатель сварочного агрегата специально переоборудован для режима длительной стационарной работы. Он имеет автоматический центробежный регулятор скорости вращения, ручное регулирование для работы при малых скоростях, автоматическое выключение зажигания при внезапном увеличении скорости.
Сварочный агрегат смонтирован на жесткой металлической раме с катками для перемещения. Наличие крыши и боковых металлических штор, защищающих от атмосферных осадков, позволяет работать на открытом воздухе.
Для сварки в защитных газах, а также для полуавтоматической и автоматической сварок применяют генераторы с жесткой  или возрастающей внешней характеристикой.  Такие генераторы имеют обмотки независимого возбуждения и подмагничивающую последовательную обмотку. При холостом ходе э.д.с. генератора наводится магнитным потоком, который создается обмоткой независимого возбуждения. При рабочем режиме сварочный ток, проходя через последовательную обмотку, создает магнитный поток, совпадающий по направлению с магнитным потоком обмотки независимого возбуждения. Тем самым обеспечивается жесткая или возрастающая вольт-амперная характеристика.
Трансформатор такого типа ПСГ–350 состоит из сварочного генератора постоянного тока ГСГ–350 и трехфазного асинхронного электродвигателя АВ–61–2 мощностью 14 кВт. Генератор имеет обмотку независимого возбуждения и подмагничивающую последовательную обмотку. Обмотка независимого возбуждения питается от внешней сети через селеновые выпрямители и стабилизатор, который исключает влияние колебания напряжения в сети на ток возбуждения.

Таблица 5 
Технические характеристики генераторов постоянного тока 

* Генератор имеет независимое возбуждение от дополнительного источника питания.
** Значения параметров в числителе при падающих, в знаменателе при жестких характеристиках.

Таблица 6 
Технические характеристики сварочных преобразователей и агрегатов с электродвигателями 

Таблица 7 
Технические характеристики сварочных агрегатов с бензиновыми и дизельными двигателями 

Таблица 8 
Технические характеристики сварочных транформаторов 

Последовательная обмотка разделена на две секции: при включении в сварочную цепь части витков генератор работает в режиме жесткой характеристики, а при использовании всех витков обмотки генератор дает возрастающую внешнюю характеристику. Генератор и двигатель размещены в общем корпусе и смонтированы на тележке.

Рис. 50.  Сварочный трансформатор 

При работе на строительной площадке или заводе нескольких сварочных постов, расположенных недалеко друг от друга, применяют многопостовые сварочные трансформаторы .
Внешняя характеристика многопостового генератора должна быть жесткой, т. е. независимо от количества работающих постов напряжение генератора должно быть постоянным. Для получения постоянного напряжения многопостовой генератор имеет параллельную обмотку возбуждения и последовательную обмотку, создающую магнитный поток того же направления.
Применение многопостовых сварочных трансформаторов позволяет значительно уменьшить площади под сварочное оборудование, сократить расходы на ремонт, уход и обслуживание.
Однако к.п.д. сварочного поста значительно ниже, чем при однопостовом преобразователе, вследствие больших потерь мощности в балластных реостатах. Если мощность одного генератора недостаточна для работы сварочного поста, то включают параллельно два сварочных агрегата.
При параллельном включении генераторов необходимо соблюдать следующие условия:
• генераторы должны быть одинаковыми по типу и внешним характеристикам;
• до включения необходимо отрегулировать генераторы на одинаковое напряжение холостого хода;
• после включения в работу следует с помощью регулирующих устройств установить по амперметру одинаковую нагрузку генераторов. При неодинаковой нагрузке напряжение одного генератора будет выше другого и генератор с низким напряжением, питаемый током второго генератора, будет работать как двигатель. Это приведет к размагничиванию полюсов генератора и выходу его из строя. Поэтому следует постоянно следить за показаниями амперметров и при необходимости отрегулировать равномерность нагрузок генераторов. Для уравнивания напряжения параллельно работающих генераторов с падающими внешними характеристиками применяют перекрестное питание их цепей возбуждения: обмотки возбуждения одного генератора питаются от щеток якоря другого генератора. Для этой цели генераторы имеют уравнительные контакты, которые надо при параллельной работе соединить между собой;
• при параллельном включении многопостовых генераторов типа ПСМ–1000 необходимо клеммы на щитках генераторов ГС–1000, обозначенные буквой У (уравнительный), соединить между собой уравнительным проводом. Этим проводом последовательные обмотки генераторов соединяются параллельно, и таким образом исключаются колебания в распределении нагрузки между генераторами.

Сварочные аппараты переменного тока

Сварочные аппараты переменного тока состоят из понижающего трансформатора и специального устройства, создающего падающую внешнюю характеристику и регулирующего сварочный ток.
Они подразделяются на две группы:
• аппараты, состоящие из трансформатора с жесткой внешней характеристикой и дросселя;
• аппараты, имеющие трансформатор с падающей внешней характеристикой, создаваемой усиленными полями рассеяния в самом трансформаторе.

Сварочные аппараты с отдельным дросселем

Сварочные аппараты с отдельным дросселем  состоят из понижающего трансформатора и дросселя регулятора тока. Трансформатор имеет сердечник (магнитопровод) из отштампованных пластин, изготовленных из тонкой трансформаторной стали толщиной 0,5 мм. На сердечнике расположены первичная и вторичная обмотки. Первичная обмотка из изолированной проволоки подключается к сети переменного тока напряжением 220 или 380 В. Во вторичной обмотке, изготовленной из медной шины, индуцируется ток напряжением 60–70 В. Небольшое магнитное рассеяние и малое омическое сопротивление обмоток обеспечивают незначительное внутреннее падение напряжения и высокий к.п.д. трансформатора.
Последовательно вторичной обмотке в сварочную цепь включена обмотка (из голой медной шины) дросселя (регулятора тока). Сердечник дросселя набран из пластин тонкой трансформаторной стали и состоит из двух частей: неподвижной, на которой расположена обмотка дросселя, и подвижной, перемещаемой с помощью винтовой пары. При вращении рукоятки по часовой стрелке воздушный зазор увеличивается, а против часовой стрелки – уменьшается.
При возбуждении дуги (при коротком замыкании) большой ток, проходя через обмотку дросселя, создает мощный магнитный поток, наводящий э.д.с. дросселя, направленную против напряжения трансформатора. Вторичное напряжение, развиваемое трансформатором, полностью поглощается падением напряжения в дросселе. Напряжение в сварочной цепи почти достигает нулевого значения. При возникновении дуги сварочный ток уменьшается, вслед за ним уменьшается э.д.с. самоиндукции дросселя, направленная против напряжения трансформатора, и в сварочной цепи устанавливается рабочее напряжение, необходимое для устойчивого горения дуги, меньшее, чем напряжение холостого хода.
Изменяя зазор между неподвижным и подвижным магнитопроводом, изменяют индуктивное сопротивление дросселя и тем самым ток в сварочной цепи. При увеличении зазора магнитное сопротивление магнитопровода дросселя увеличивается, магнитный поток ослабляется, уменьшаются э.д.с. самоиндукции катушки и ее индуктивное сопротивление. Это приводит к возрастанию сварочного тока.
При уменьшении зазора сварочный ток уменьшается. По этой схеме изготовлены и эксплуатируются сварочные трансформаторы типа СТЭ. Они просты и безопасны в работе.

Сварочные аппараты со встроенным дросселем

Сердечник трансформатора состоит из основного магнитопровода, на котором расположены первичная и вторичная обмотки собственно трансформатора, и добавочного магнитопровода с обмоткой – дросселя (регулятор тока). Добавочный магнитопровод расположен над основным и состоит из неподвижной и подвижной частей, между которыми при помощи винтового механизма устанавливается необходимый воздушный зазор.
Магнитный поток, создаваемый обмоткой дросселя, может иметь попутное или встречное направление с потоком, создаваемым вторичной обмоткой трансформатора, в зависимости от того, как включены эти обмотки. При встречном соединении магнитные потоки, возникающие при прохождении тока во вторичной обмотке трансформатора и обмотке регулятора тока, будут направлены навстречу друг другу. Регулирование сварочного тока производится изменением воздушного зазора – чем больше зазор, тем больше сварочный ток.
Сварочные аппараты с увеличенным магнитным рассеянием делятся на две группы: с подвижными обмотками и с магнитным шунтом. У обычных силовых трансформаторов первичная и вторичная обмотки максимально сближены, потоки рассеяния минимальные и поэтому внешняя характеристика жесткая. У трансформаторов сварочных аппаратов с увеличенным магнитным рассеянием первичная и вторичная обмотки разведены, потоки рассеяния большие, а внешняя характеристика падающая.
Сварочный трансформатор с подвижными обмотками   имеет магнитопровод, на обоих стержнях которого расположены по две катушки, одна с первичной обмоткой, а вторая со вторичной. Катушки первичной обмотки закреплены неподвижно в нижней части сердечника, катушки вторичной обмотки перемещаются по стержням с помощью винтовой пары.
Сварочный ток регулируют изменением расстояния между первичными и вторичными обмотками. При увеличении этого расстояния магнитный поток рассеяния возрастает, а сварочный ток уменьшается. По этому принципу изготовлены сварочные аппараты типа ТС, ТСК, ТД с алюминиевыми обмотками. Сварочные аппараты типа ТСК имеют конденсаторы, которые включены параллельно первичным обмоткам. Они способствуют повышению коэффициента мощности.
Трансформатор типа ТД  имеет два диапазона сварочных токов: большие токи – при параллельных соединениях катушек первичной и вторичной обмоток, и малые токи – при последовательных соединениях обмоток. При этом небольшая часть первичной обмотки отключается и этим повышают напряжение холостого хода, что обеспечивает устойчивое зажигание и горение дуги при малых токах. Переключение обмоток производится одновременно пакетным переключателем. В каждом диапазоне сварочный ток плавно регулируют, изменяя расстояние между катушками первичной и вторичной обмоток. Для сварочных работ в монтажных условиях выпускаются облегченные переносные сварочные аппараты с подвижными катушками обмоток ТД–102 и ТД–306.
Трансформатор ТД–102  номинальной мощностью 11,4 кВ×А имеет пределы регулирования сварочного тока 55–175 А. С помощью барабанного переключателя производят ступенчатое регулирование сварочного тока (два диапазона). Плавное регулирование в пределах каждого диапазона обеспечивается перемещением первичной обмотки с помощью ходового винта и рукоятки регулятора тока. При вращении рукоятки по часовой стрелке катушки обмоток сближаются и сварочный ток увеличивается. Масса аппарата ТД–102–38 кг.
Аппарат ТД–306  имеет номинальную мощность 19,4 кВ×А, пределы регулирования сварочного тока 90–300 А и массу 71 кг.
В условиях строительно-монтажной площадки особенно удобны трансформаторы ТД–304 , имеющие устройство для дистанционного регулирования сварочного тока.
Для автоматической дуговой сварки под флюсом используются трансформаторы с управляемым магнитом шунтом . Принцип их действия основан на создании повышенных магнитных полей рассеяния при изменении магнитного насыщения управляемого шунта. Шунт имеет обмотку управления, которую подключают к источнику постоянного напряжения.
Сварочные трансформаторы с управляемым шунтом   типа ТДФ состоят из трансформатора, регулятора тока и блока защитной и вспомогательной аппаратуры. Трансформатор имеет магнитопровод стержневого типа, первичная обмотка – две секции, расположена на стержнях в нижней части магнитопровода. Вторичная обмотка многосекционная. Основные ее части расположены на стержнях в верхней части магнитопровода, а дополнительные секции, с меньшим числом витков, размещены совместно с первичной обмоткой на стержнях в нижней части магнитопровода.
Такое расположение вторичной обмотки обеспечивает хорошее качество при переключении ступеней сварочного тока и получение крутопадающей внешней характеристики. Переход от ступени малых токов на ступень больших токов выполняется пакетным выключателем. Магнитный шунт с четырьмя обмотками управления расположен в центре между первичной и вторичной обмотками.
Трехфазные сварочные аппараты  применяют при сварке трехфазной дугой спаренными электродами. Процесс сварки осуществляется сварочными дугами, которые возбуждаются между каждым электродом и свариваемой деталью и между электродами.
Сварочный аппарат состоит из трехфазного трансформатора, регулятора сварочного тока и магнитного контактора. Первичная обмотка включается в силовую сеть напряжением 220 В с соединение обмоток в «треугольник») или 380 В (соединение обмоток в «звезду»). Вторичная обмотка имеет по две катушки на каждом стержне и выполнена из голой медной шины.
Регулятор сварочного тока состоит из двух магнитопроводов с изменяющимися воздушными зазорами и трех обмоток. Две обмотки расположены на одном магнитопроводе и подключены к спаренным в едином электрододержателе электродам, изолированным друг от друга.
Третья обмотка расположена на втором магнитопроводе и подключена к свариваемой детали. Регулятор вмонтирован в общий корпус и снабжен двумя рукоятками, с помощью которых производится регулирование сварочного тока (изменением воздушных зазоров в магнитопроводах). Одной рукояткой регулируют ток одновременно в обеих фазах, подключенных к электродам, а второй рукояткой – в фазе свариваемого изделия. Магнитный контактор служит для включения и размыкания цепи спаренных электродов. В начальный момент при возбуждении дуги сварочная цепь замыкается через свариваемую деталь и один из электродов. Ток проходит по обмотке регулятора и обмотке контактора. Контактор включает обмотку регулятора. Возникает вторая дуга. При отводе электродов от детали ток в обмотках прекращается и контактор гасит дугу между электродами. Для получения токов высокой частоты и высокого напряжения применяют осцилляторы параллельного и последовательного включений.
Осциллятор включают непосредственно в питающую сеть напряжением 220 В. Он состоит из повышающего трансформатора и колебательного контура. Трансформатор повышает напряжение с 220 до 6000 В. Колебательный контур, состоящий из высокочастотного трансформатора (ВЧТ), конденсатора и разрядника, вырабатывает высокочастотный ток.
Контур связан со сварочной цепью индуктивно через трансформатор ВЧТ, выводы вторичной обмотки которой присоединяют один к клемме «земля» выводной панели, а другой ко второй клемме через конденсатор и предохранитель.
Осцилляторы последовательного включения (М–3, ОС–1) применяют в установках для дуговой сварки в защитных газах. Они обеспечивают более надежную защиту генератора (или силового выпрямительного блока) от пробоя высокочастотным напряжением осциллятора. При применении осциллятора дуга загорается даже без прикосновения электрода к изделию (при зазоре 1–2 мм), что объясняется предварительной ионизацией воздушного промежутка между электродом и свариваемой деталью.

Сварочные выпрямители

Сварочные выпрямители представляют собой устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный (выпрямленный).
Оно состоит из следующих основных узлов: силового трансформатора для понижения напряжения сети до необходимого напряжения холостого хода источника, блока полупроводниковых элементов для выпрямления переменного тока, стабилизирующего дросселя для уменьшения пульсаций выпрямленного тока.
Выпрямительный блок представляет собой набор полупроводниковых элементов, включенных по определенной схеме. Особенность полупроводниковых элементов заключается в том, что они проводят ток только в одном направлении, в результате чего сила тока получается постоянной (выпрямленной).
Такие элементы обладают вентильным эффектом, иначе говоря, пропускают ток в одном направлении. За это их называют полупроводниковыми вентилями . Они делятся на неуправляемые – диоды  и управляемые – тиристоры . Разработаны и выпускаются сварочные выпрямители для ручной или механизированной дуговой сварки под флюсом, сварки в защитной среде и др. Они получили широкое применение благодаря их технологическим преимуществам: высокий к.п.д. и относительно небольшие потери холостого хода, высокие динамические свойства, отсутствие вращающихся частей и бесшумность в работе, равномерность нагрузки фаз, небольшая масса, возможность замены медных проводов алюминиевыми.
Но следует иметь в виду, что для выпрямителей представляют большую опасность продолжительные короткие замыкания, так как могут вывести из строя диоды. Кроме того, они чувствительны к колебаниям напряжения в сети.
Сварочные выпрямители (рис. 51) состоят из двух блоков: понижающего трехфазного трансформатора с устройствами для регулирования напряжения или тока и выпрямительного блока.
Кроме того, выпрямитель имеет пускорегулирующее и защитное устройства, обеспечивающие нормальную эксплуатацию. Выпрямление тока осуществляется по трехфазной мостовой схеме, состоящей из шести плеч. В каждом плече моста установлены вентили, выпрямляющие оба полупериода переменного тока в трех фазах. В каждый момент времени ток проходит через два вентиля, и, таким образом, в течение одного периода происходит шесть пульсаций выпрямленного тока, что соответствует частоте пульсации 300 Гц.

Рис. 51. 
Схема трехфазного выпрямителя: 
а – схема включения; б – выпрямленный ток внешней цепи; 1– понижающий трансформатор; 2 – блок селеновых или кремниевых выпрямителей; 3 – сварочная дуга 

Сварочные выпрямители подразделяются на однопостовые с падающими, жесткими, пологопадающими и универсальными характеристиками и многопостовые с жесткими характеристиками. Падающая характеристика в выпрямителе создается включением в сварочную цепь реактивной катушки или применением трансформатора с усиленным магнитным рассеянием.
У многопостовых сварочных выпрямителей для создания падающей внешней характеристики и регулирования сварочного тока в сварочную цепь каждого поста включают балластный реостат.
Выпрямители типа ВД, предназначенные для ручной и механизированной сварки и наплавки, имеют крутопадающую внешнюю характеристику. Регулирование варочного тока производят ступенчато (два диапазона) и плавно (в пределах каждого диапазона). Переключатель диапазонов сварочного тока расположен на лицевой панели выпрямителя и производит одновременное переключение первичной и вторичной обмоток со «звезды» (диапазон малых токов) на «треугольник» (диапазон больших токов). Переключение производят только после отключения выпрямителя от силовой сети.
При переключении пределы изменения тока увеличиваются примерно в три раза. Плавное регулирование тока в пределах каждого диапазона производится изменением расстояния между катушками первичной и вторичной обмоток. Катушки вторичной обмотки закреплены неподвижно у верхнего ярма, а катушки первичной обмотки с помощью ходового винта перемещаются по стержню сердечника трансформатора. Вращая рукоятку ходового винта по часовой стрелке, сближают катушки обмоток, уменьшают индуктивность рассеяния обмоток и, как следствие, увеличивают сварочный ток.
Сварочные выпрямители с жестокими и пологопадающими внешними характеристиками  применяются при сварке плавящимся электродом в углекислом газе, под флюсом, порошковой проволокой. Они различны как конструктивно, так и по электрической схеме. Например, выпрямитель типа ВС состоит из силового трехфазного понижающего трансформатора и выпрямительного блока из селеновых вентилей. В сварочную цепь после выпрямительного блока включен дроссель, позволяющий регулировать нарастание тока короткого замыкания и снижающий потери металла на разбрызгивание. Выпрямитель имеет два переключателя числа витков первичной обмотки трансформатора, которыми путем изменения коэффициента трансформации регулируется выходное напряжение. Один переключатель, для ступенчатого регулирования, имеет три положения, второй, для плавного регулирования, – восемь положений. Таким образом, выпрямитель имеет 24 значения сварочного тока. Регулирование сварочного тока можно производить только при холостом ходе, что является серьезным недостатком выпрямителя. В промышленности и строительстве они применяются, но с производства сняты.
Выпрямители типа ВДГ состоят из трансформатора с нормальным магнитным рассеянием и трехфазного дросселя насыщения. Рабочие обмотки дросселя включены в плечи выпрямительного блока. Регулирование выходного напряжения ступенчато-плавное. Ступенчатым регулированием можно задать три диапазона, получаемые изменением коэффициента трансформации силового трансформатора изменением числа витков первичной обмотки.
Плавное регулирование в пределах каждого диапазона осуществляется дросселем насыщения. Выпрямитель имеет дистанционное управление. Многопостовые сварочные выпрямители типа ВДМ выпускают серийно на номинальные токи 1000, 1600, 3000 А. Выпрямители имеют жесткую внешнюю характеристику и состоят из силового трехфазного понижающего трансформатора, выпрямительного блока из кремниевых вентилей с вентилятором, пускорегулирующей и защитной аппаратуры.
Получение падающей внешней характеристики и регулирование сварочного тока каждого поста производятся подключением балластных реостатов типа РБ–301.
Сварочные выпрямители типов ВСУ и ВДУ являются универсальными источниками питания дуги. Они предназначены для питания дуги при автоматической и полуавтоматической сварках под флюсом, в защитных газах, порошковой проволокой, а также при ручной сварке. Выпрямители ВСУ кроме блока трехфазного понижающего трансформатора и выпрямительного блока имеют дроссель насыщения с четырьмя обмотками. Переключением этих обмоток можно получать жесткую, пологопадающую и крутопадающую внешние характеристики.

Таблица 9 
Технические характеристики однопостовых сварочных выпрямителей с падающими характеристиками 

Таблица 10 
Технические характеристики сварочных преобразователей и агрегатов с электродвигателями 

Выпрямители ВДУ основаны на использовании в выпрямляющих силовых обмотках управляемых вентилей – тиристоров. Схема управления тиристорами позволяет получать необходимый для сварки вид внешней характеристики, обеспечивает широкий диапазон регулирования сварочного тока и стабилизацию режима сварки при колебаниях напряжения питающей сети.

Обслуживание сварочного оборудования

Для обеспечения бесперебойной и длительной работы сварочного оборудования, своевременного устранения мелких неисправностей при его эксплуатации надо проводить контрольно-профилактические работы, которые подразделяются на: 1) ежедневные; 2) ежемесячные; 3) полугодовые; 4) годовые.
Контрольно-профилактические работы должны производиться периодически.
Так, при ежедневном  обслуживании необходимо:
1. Перед началом работы осмотреть сварочное оборудование для выявления случайных повреждений отдельных наружных частей.
2. Проверить заземление источника питания.
3. Проверить надежность подключения сварочных проводов к зажимам источника питания и свариваемому изделию.
4. После пуска проверить направление вращения вентилятора, иначе говоря, правильность направления потока охлаждающего воздуха.

Ежемесячно   нужно:
1. Очистить сварочное оборудование от пыли и грязи, продувая источник питания сжатым воздухом, а в доступных местах протирая ветошью.
2. Проверить состояние электрических проводов, механических контактов и паек и в случае необходимости обеспечить надежный электрический контакт.
3. Проверить надежность всех винтовых соединений.
4. Проверить затяжку крепления силовых катушек.
5. Очистить пускатель от пыли и загрязнений, проверить состояние контактов. Если они обгорели или на их поверхности образовались капли металла, то поверхность контактов необходимо зачистить.

Один раз в три месяца   нужно:
1. Проверить сопротивление изоляции токоведущих частей.
2. Проверить состояние блока управления, фильтра защиты от радиопомехи защитных цепей наружным способом, установить отсутствие механических повреждений конденсаторов.
3. В сварочных преобразователях нужно проверить состояние коллектора, в случае обнаружения на коллекторе следов нагара его следует прошлифовать мелкозернистой шлифовальной бумагой.

Один раз в полгода   нужно:
1. Очистить контакты и изоляционные части переключателя диапазонов тока от пыли и налета металлических частиц.
2. Смазать тугоплавкой смазкой все трущиеся части.
3. В сварочных преобразователях проверить состояние и наличие смазки в камерах подшипников и при необходимости заменить ее.

Один раз в год   нужно:
1. Разобрать электродвигатель вентилятора и произвести его внутреннюю очистку, перед сменой смазки подшипники необходимо промыть бензином.
2. Произвести плановый текущий осмотр для выявления необходимости планового ремонта.
Сварочные посты располагаются в специальных кабинах площадью не менее 2–2,5 м2 каждая. Кабину отгораживают перегородками, а вход закрывают занавесками, пропитанными огнестойким составом. При сварке громоздких деталей и крупно-габаритных сварных конструкций сварочные посты развертывают открыто в цехе, на строительной площадке, на магистральной трассе. При этом рабочее место по возможности огораживают защитными щитами или ширмами.
Основное оборудование сварочного поста  (рис. 52) состоит из источника питания дуги, сварочных проводов, электрододержателя и приспособлений для закрепления свариваемых деталей. При размещении поста в кабине устанавливают металлический стол с массивной чугунной или стальной крышкой площадью в 1 м2, на которой производят сварочные работы, и винтовой стул с откидной спинкой. Кабина должна иметь местную вытяжную вентиляцию и заземляющий провод.

Рис. 52. 
Компоновка сварочного поста и схема питания дуги (на постоянном токе): 
а – электрическая схема; б – общая компоновка поста для сварки; 1 – изделие; 2 – сварочная дуга; 3 – электрод; 4 – электрододержатель; 5 – сварочные провода; 6 – источник питания; 7 – щит с приборами контроля и регулирования параметров сварки 

Инструмент сварщика

1. Электрододержатель  (рис. 53) – служит для зажима электрода и подвода к нему сварочного тока. Он должен прочно удерживать электрод, обеспечивать удобное и прочное закрепление сварочного кабеля, а также быстрое удаление огарков и закладку нового электрода. Электрододержатели изготовляют трех типов: для тока 125 А и провода сечением 25 мм2; для тока 315 А и провода сечением 50 мм2; для тока 500 А и провода сечением 70 мм2. Они должны выдерживать 8000 зажимов электродов, затрачивая на каждую замену электрода не более 4 с. Электрододержатели для тока 500 А должны иметь щиток для защиты руки сварщика от воздействия электрической дуги.
2. Щитки, маски или шлемы  служат для защиты глаз и лица сварщика от воздействия излучений сварочной дуги и брызг металла. В них имеется смотровое отверстие, в которое вставляют специальное стекло-светофильтр, задерживающий инфракрасные и ультрафиолетовые лучи и снижающий яркость световых лучей дуги. Снаружи светофильтр защищен от брызг металла простым прозрачным съемным стеклом.
3. Металлические щетки  (ручные и с электроприводом) для зачистки (разделки) швов и очистки сваренных швов от шлака.
4. Молоток, зубило, крепежный инструмент. 
5. Набор шаблонов  для промера размеров швов.
6. Стальные клейма  для клеймения сваренных швов.
Для защиты тела от ожогов сварщик пользуется брезентовым костюмом, брезентовыми рукавицами  и кожаной  или валяной обувью . Брюки должны быть гладкими, без отворотов, с напуском поверх ботинок или валенок. Рукавицы  должны надеваться с напуском на рукава и завязываться тесьмой. Прямая одежда и отсутствие открытых частей тела исключают возможность попадания брызг металла на тело и в складки спецодежды.
При сварке внутри резервуаров , баков, цистерн необходимо пользоваться резиновыми сапогами и резиновым шлемом. При сварке металлических конструкций,  если сварщик работает лежа, сидя или стоя на элементах свариваемой конструкции, кроме резиновых сапог (или галош) и шлема необходимы резиновые коврики , а также наколенники, подлокотники , подшитые войлоком. Кроме спецодежды к средствам индивидуальной защиты сварщика относятся: пояс предохранительный с лямками  (при работе на высоте), перчатки резиновые диэлектрические, галоши резиновые диэлектрические, коврики резиновые диэлектрические. 

Рис. 53 . Электрододержатели для ручной дуговой сварки: 
а – пружинный; б – пластинчатый; в – винтовой 

Таблица 11 
Периодичность ремонтов и осмотров сварочного оборудования 

Источники питания дуги размещают непосредственно на каждом месте или группируют в машинном отделении сварочного цеха. В последнем случае в цехе на определенном расстоянии друг от друга располагают постоянные щитки с клеммами для подключения сварочных проводов. К щиткам ток подводится от источника питания постоянной проводкой. При наличии нескольких сварочных постов следует применять многопостовые сварочные агрегаты. Сварочные многопостовые преобразователи типа ПСМ=1000 – устанавливают на фундаменте. Допускается установка на временном фундаменте в виде жестко связанной деревянной рамы из брусьев (или бревен), к которой болтами крепится корпус сварочного преобразователя.
При наличии на строительно-монтажной площадке электросиловой сети для выполнения сварочных работ применяют передвижные сварочные преобразователи постоянного тока, выпрямители или аппараты переменного тока – в зависимости от вида работ.
Ответственные сварочные работы, выполняемые особыми электродами, как правило, требуют постоянного тока. В этих случаях применяют сварочные преобразователи или выпрямители. Однако они требуют более трудоемкого ухода и обслуживания, чем аппараты переменного тока.
При отсутствии электросиловой сети применяют сварочные агрегаты с двигателем внутреннего сгорания типов АСБ, АСД, ПАС, СДУ.
В процессе эксплуатации источники сварочного тока требуют ухода и обслуживания.

Перед включением источника тока необходимо выполнить следующие работы: 
• очистить его от пыли и грязи;
• осмотреть;
• при наличии мелких дефектов устранить их.

У сварочных преобразователей   особое внимание следует обратить на подшипники, коллектор и щеточный механизм генератора. Щетки должны плотно прилегать к чистой поверхности коллектора.

У аппаратов переменного тока   следует проверить состояние контактов, изоляции и крепежных деталей сердечника и кожуха. Необходимо чаще смазывать регулировочный механизм.

У сварочных выпрямителей   особого внимания требует система охлаждения (вентилятор, жалюзи, реле). Следует проверить подтяжку крепежных деталей, наличие и надежность крепления заземляющего провода.
Сварочные провода   выбирают в зависимости от наибольшего допустимого значения сварочного тока. Рекомендуются следующие нормы:

Эти нормы установлены при длине проводов не более 30 м. При работах на строительных площадках длина сварочных проводов может достигать 150 м. При этом падение напряжения достигает значительных размеров. Если длина провода значительная, необходимо проверить падение напряжения и соответственно скорректировать сечение провода.

Осмотр сварочного преобразователя

Некоторые узлы источников сварочного тока требуют особого внимания. В сварочных преобразователях постоянного тока особого ухода требуют коллектор, щеточный механизм и подшипники. Коллектор  должен быть чистым, без следов нагара. Слюдяные прокладки не должны выступать между пластинами. Перед пуском в ход коллектор необходимо протирать полотняной тряпкой, смоченной в бензине.
При обнаружении нагара прежде всего следует выяснить и устранить причину нагара, а затем прошлифовать коллектор на ходу при поднятых щетках равномерно по всей рабочей поверхности. Для шлифования применяют мелкозернистую прессованную пемзу или мелкую стеклянную бумагу, натянутую на деревянную колодку.
Выступающие слюдяные прокладки необходимо осторожно выбрать специальной пилкой на глубину 1 мм, а затем зачистить поверхность коллектора от заусенцев и прошлифовать коллектор. После шлифования надо аккуратно протереть коллектор, не допуская попадания пыли в машину.
Щеточный механизм.  Изношенные или поврежденные щетки подлежат замене. При этом новую щетку до эксплуатации необходимо притереть к коллектору. Для этого щетку устанавливают на место и под нее на коллектор вводят полоску стеклянной бумаги (стеклом к щетке) в направлении вращения коллектора. Притирку производят при нормальном нажатии пружины щеткодержателя до полного прилегания рабочей поверхности щетки к коллектору. Образующуюся пыль удаляют продувкой воздухом, а для окончательной прошлифовки щеток генератор включают на холостом режиме.
Подшипники генератора и электродвигателя  требуют тщательной промывки и смазки не реже двух раз в год. Ежедневно в процессе эксплуатации нужно внимательно следить за состоянием смазки и при необходимости производить замену или долив. Нарушение работы подшипника обнаруживается по нагреву и ненормальному шуму.

Осмотр аппарата переменного тока

Аппараты переменного тока требуют регулярной проверки состояния контактов сварочной и заземляющей цепей, изоляции, подтяжки крепежных деталей сердечника и кожуха. Особенно опасны нарушения изоляции проводов и неаккуратное подключение сварочного кабеля. Необходимо чаще смазывать регулировочный механизм. При перемещении аппарата необходимо пользоваться ручками или подъемными кольцами кожуха трансформатора.

Осмотр сварочного выпрямителя

Сварочные выпрямители требуют особого внимания к системе охлаждения, состоящей из вентилятора, жалюзи и реле. Неисправности системы могут привести к перегреву полупроводниковых элементов и выходу из строя выпрямителя.
Следует постоянно проверять состояние и надежность всех контактов в сварочной и заземляющей цепях, подтяжку всех крепежных деталей. Через каждые 1–3 месяца (в зависимости от условий работы) необходимо очищать выпрямитель от грязи и пыли протиркой чистой ветошью и продувкой сухим сжатым воздухом. Все трущиеся части механизмов выпрямителя необходимо смазывать два раза в год.
Важно также в процессе эксплуатации не допускать перегрузки выпрямителя. При работе на открытом воздухе следует принять меры защиты сварочного оборудования от атмосферных осадков.

Глава 8
Металлургические процессы при проведении сварочных работ

Взаимодействие металла с газами

Одним из сварочных процессов является взаимодействие металла с газами. Под воздействием теплоты электрической дуги происходит расплавление кромок свариваемого изделия, электродного (или присадочного) металла, покрытия или флюса. При этом образуется сварочная ванна расплавленного металла, покрытая слоем расплавленного шлака. При сварке происходит взаимодействие расплавленного металла со шлаком, а также с выделяющимися газами и воздухом. Это взаимодействие начинается с момента образования капель металла электрода и продолжается до полного охлаждения наплавленного металла шва.

Металлургические процессы, протекающие при сварке, определяются такими показателями:  
1) высокой температурой;
2) небольшим объемом ванны расплавляемого металла;
3) большими скоростями нагрева и охлаждения металла;
4) отводом теплоты в окружающий ванну основной металл;
5) интенсивным взаимодействием расплавляемого металла с газами и шлаками в зоне дуги.
Высокая температура сварочной дуги вызывает также диссоциацию (распад) молекул кислорода и азота в атомарное состояние. Обладая большой химической активностью, эти газы интенсивнее взаимодействуют с расплавленным металлом шва.
В зоне дуги происходит распад молекул паров воды с диссоциацией молекул водорода, атомарный водород активно насыщает металл шва. Высокая температура способствует выгоранию примесей и тем самым изменяет химический состав свариваемого металла, Не большой объем ванны расплавленного металла (при ручной сварке он составляет 0,5–1,5 см3, при автоматической сварке – 24–300 см3) и интенсивный отвод теплоты в металл, окружающий ванну, не дают возможности полностью завершиться всем реакциям взаимодействия между жидким металлом, газами и расплавленным шлаком. Большие скорости нагрева и охлаждения значительно ускоряют процесс кристаллизации, приводят к образованию закалочных структур, трещин и других дефектов. Структурные изменения в металле околошовной зоны происходят под действием теплоты. Они приводят к ослаблению сварного шва. На расплавленный металл существенное воздействие оказывают газовая среда и расплавленный шлак. Кислород  поступает в зону сварки из воздуха и электродного покрытия. Кислород, взаимодействуя с расплавленным металлом, в первую очередь окисляет железо, так как его концентрация в стали наибольшая. Находясь в зоне дуги как в молекулярном, так и в атомарном состоянии, кислород образует с железом  три оксида: FeO (22,3 %), Fe2О3 и Fe3O3. В процессе окисления железа участвуют также находящиеся в зоне дуги углекислый газ и пары воды.
Из соединений железа с кислородом наибольшее влияние на свойства стали оказывает оксид железа FеО, так как только он растворяется в железе. Растворимость оксида железа в стали зависит главным образом от содержания углерода и температуры металла. Растворимость оксида железа снижается с увеличением содержания углерода в стали. При высокой температуре стали растворимость оксида железа выше, чем при низкой температуре. Поэтому при охлаждении стали происходит выпадение из раствора оксида железа FeO. При высоких скоростях охлаждения часть оксида железа остается в растворе, образуя шлаковые прослойки между зернами металла. Окисление примесей, содержащихся в стали, происходит либо непосредственно в дуге, либо при взаимодействии с оксидом железа, растворенного в сварочной ванне металла.
Значительное сродство углерода, марганца и кремния с кислородом приводит к сильному уменьшению содержания этих примесей в расплавленном металле шва. Таким образом, кислород находится в стали преимущественно в виде оксидных включений железа, марганца и кремния. В кипящей низкоуглеродистой стали СтЗ кислорода 0,001–0,002 %, в спокойной стали – 0,03–0,08 %. В металле шва при сварке незащищенной дугой содержание кислорода достигает 0,3 %, при сварке защищенной дугой – до 0,05 %.
Азот  в зону сварки проникает из окружающего воздуха. В зоне дуги азот находится как в молекулярном, так и в атомарном состоянии. Диссоциированный азот более активно растворяется в расплавленном металле сварочной ванны, чем молекулярный. Растворимость азота зависит от температуры металла шва. При охлаждении металла азот, выделяясь из раствора, взаимодействует с металлом шва и образует нитриды железа (Fе2N, Fе4N), марганца (MnN) и кремния (SiN). При больших скоростях охлаждения азот не успевает полностью выделиться и составляет с металлом перенасыщенный твердый раствор. Со временем такой азот является причиной процесса старения металла.
В низкоуглеродистой стали азота содержится до 0,006 %, в металле шва при сварке незащищенной дугой содержание азота достигает 0,02 %, а при сварке защищенной дугой – до 0,03 %. Азот является вредной примесью стали, так как, повышая прочность и твердость, он вместе с этим значительно снижает пластичность и вязкость металла. Устраняют влияние азота на качество сварного шва хорошей защитой зоны дуги от атмосферного воздуха. Кроме того, применяют сварочные материалы, содержащие алюминий, титан и другие элементы, которые образуют нитриды, выходящие в шлак или менее, чем азот, снижающие качество шва.
Водород  в зоне сварки образуется во время диссоциации водяных паров при высоких температурах дуги. Пары воды попадают в зону дуги из влаги электродного покрытия или флюса, ржавчины и окружающего воздуха. Молекулярный водород распадается на атомарный, который хорошо растворяется в расплавленном металле.
Растворимость водорода в железе в значительной степени зависит от температуры металла. При температуре 2400 °C насыщение достигает максимального значения (43 см3 водорода на 100 г металла). При высоких скоростях охлаждения металла водород переходит из атомарного состояния в молекулярное, но полностью выделиться из металла не успевает. Это вызывает пористость и мелкие трещины. Снижение влияния водорода на качество сварного шва достигается сушкой и прокалкой материалов сварки, очисткой от ржавчины и защитой зоны дуги. Для получения сварного шва высокого качества необходимо принять меры по защите расплавленного металла сварочной ванны главным образом от воздействия кислорода, азота и водорода.
Защита сварочной ванны осуществляется созданием вокруг дуги газовой оболочки и шлакового слоя над ванной расплавленного металла. Однако эти меры полностью не предохраняют от насыщения металла кислородом, поэтому необходимо производить как раскисление металла, так и удаление образовавшихся оксидов из сварочной ванны.
Раскисление жидкого металла  сварочной ванны производят, вводя него элементы, имеющие большое сродство к кислороду: алюминий, титан, кремний, углерод, марганец. Эти элементы вводят в сварочную ванну либо через электродную проволоку (присадочный металл), либо через электродное покрытие или флюсы.
Алюминий  в качестве раскислителя применяется редко, так как он образует тугоплавкие оксиды и придает стали склонность к образованию трещин.
Титан  является активным раскислителем и поэтому широко применяется в различных электродных покрытиях. Раскисление протекает по реакции:

2FeO + Ti = 2Fe + TiO2

Кроме того, титан образует нитриды, снижая содержание азота в металле.
Кремний  очень хороший раскислитель и применяется в электродных покрытиях и флюсах в виде ферросилиция или кварцевого песка. Раскисление кремнием происходит по реакции:

2FeO + Si = 2Fe + SiO2

Кроме того, протекает реакция образования силикатов:

SiO2 + FeO = FeО × SiO2

Полученные оксиды и силикат оксида железа выходят в шлак.
Углерод  образует с кислородом газообразный оксид углерода, который в стали не растворяется, а выделяется в виде пузырьков. При больших скоростях охлаждения оксид углерода не успевает выделиться из металла шва, образуя в нем газовые поры. Раскисление протекает по реакции:

FeO + С = Fe + СО

Для предупреждения пористости металла шва рекомендуется вводить в сварочную ванну кремний  в таком количестве, чтобы подавить раскисляющее действие углерода.
Марганец  является наиболее распространенным активным раскислителем. Он входит во многие электродные покрытия и флюсы. Раскисление происходит по реакции:

FeO + Мп = Fe + МпО

Оксид марганца, взаимодействуя с оксидом кремния, образует не растворяющийся в стали силикат оксида марганца:

МпО + SiO2 = MnO × SiO2

Марганец также способствует удалению серы из стали:

FeS + Мп = Fe + MnS

Сернистый марганец не растворяется в стали и выходит в шлак.
Для восстановления первичного химического состава металла, а в некоторых случаях и для улучшения механических свойств шва производят легирование наплавляемого металла . Цель легирования – восполнить выгорание основных примесей стали и ввести в металл шва элементы, придающие стали специальные качества. Легирующие элементы – кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, титан и др. – используют через электродное покрытие, в виде ферросплавов и электродного металла.

Кристаллизация металла сварочной ванны

Формирование сварного шва при дуговой сварке происходит путем кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны.
Кристаллизацией   называют процесс образования кристаллов металла из расплава при переходе его из жидкого в твердое состояние. Образующиеся при этом кристаллы металла принято называть кристаллитами. Кристаллизация металла сварочной ванны начинается у границы с нерасплавившимся основным металлом в зоне сплавления. Различают кристаллизацию первичную и вторичную.

Первичной кристаллизацией   называют процесс перехода металлов и сплавов из жидкого состояния в твердое. У металлов, не имеющих аллотропических превращений, процесс затвердевания и охлаждения исчерпывается только первичной кристаллизацией. У металлов и сплавов, имеющих аллотропические формы или модификации, после первичной кристаллизации при дальнейшем охлаждении происходит вторичная кристаллизация металла в твердом состоянии при переходе из одной аллотропической формы в другую.
Первичная кристаллизация металла сварочной ванны протекает периодически, что обусловлено периодичностью снижения теплообмена и выделения скрытой теплоты кристаллизации. Это приводит к слоистому строению металла шва, к появлению зональной и дендритной ликвации. Толщина закристаллизовавшихся слоев зависит от объема сварочной ванны и скорости охлаждения металла и колеблется в пределах от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров (рис. 54, 55).
Зональная (слоистая) ликвация  выражается неоднородностью химического состава металла шва в периферийной и центральной зонах. Это является следствием того, что металл периферийных зон затвердевает раньше и поэтому содержит меньше примесей. Металл центральной зоны шва оказывается более обогащенным примесями.
Дендритная ликвация  характеризуется химической неоднородностью кристаллитов.
Первые кристаллиты (центральные и начальные части дендритов) содержат меньше примесей, а междендритное пространство оказывается более загрязненным примесями. Улучшая условия диффузии ликвирующих примесей в твердом металле, можно значительно снизить как слоистую, так и дендритную ликвацию. Например, увеличивая скорость охлаждения металла, сокращают длительность двухфазного состояния металла сварочной ванны и этим снижают степень неоднородности состава жидкой и твердой фаз металла шва. Большое значение имеет температурный интервал начала и конца кристаллизации. Чем меньше температурный интервал кристаллизации, тем ниже уровень ликвации. В сталях низкоуглеродистых, имеющих температурный интервал кристаллизации 25–35 °C, ликвация незначительна. С увеличением содержания углерода в стали температурный интервал кристаллизации возрастает и степень ликвации повышается.

Рис. 54.  Кристаллизационные слои в металле однопроходного сварного шва 

Рис. 55.  Схема роста кристаллитов: 
1 – граница сплавления; 
2 – зерна основного металла; 
3 – кристаллизационные слои; 
4 – растущие кристаллиты 

Вторичная кристаллизация металла   происходит при дальнейшем охлаждении твердого металла в виде изменений форм зерен при аллотропических изменениях в металле шва. Она в значительной степени зависит от химического состава металла, скорости охлаждения, других факторов.
Теплота, выделяемая дугой при сварке, распространяется на основной металл. При этом по мере удаления от границы сплавления скорость и максимальная температура нагрева металла снижаются. Вследствие этого в зоне основного металла в зависимости от температуры нагрева происходят фазовые и структурные изменения, которые влияют на прочность сварного соединения.
Зону основного металла, прилегающую к сварочной ванне, называют зоной термического влияния  (рис. 56).
Участок неполного расплавления 1  является важным участком зоны, так как здесь происходит сращивание основного и наплавленного металлов и образование общих кристаллов. Участок представляет собой узкую полосу, измеряемую десятыми, а иногда и сотыми долями миллиметра в зависимости от способа сварки.
Участок перегрева 2  включает в себя металл, нагреваемый до температуры, близкой к температуре плавления. Этот участок характеризуется крупнозернистой структурой.
Перегрев, как правило, снижает механические качества металла (пластичность, вязкость). Перегрев стали может вызвать образование крупнозернистой игольчатой структуры с низкими механическими показателями. Это явление характерно для сталей с большим содержанием углерода. Участок перегрева особенно опасен для сталей, склонных к образованию закалочных структур.

Рис. 56. 
Термический цикл и схема изменения текстуры и свойств сварного соединения низкоуглеродистой стали при однопроходной сварке: а – распределение максимальных температур; б – схема изменения текстуры; в – изменение твердости 

Участок нормализации 3  включает металл, нагреваемый до температуры более 900 °C. При нагреве и охлаждении металла на этом участке происходят перекристаллизация и значительное измельчение зерна. Металл участка приобретает высокие механические качества.
Участок неполной перекристаллизации 4  включает металл, нагреваемый до температуры выше 725 °C. Металл участка состоит из крупных зерен, не прошедших перекристаллизацию, и скопления мелких зерен, прошедших перекристаллизацию. Это объясняется тем, что теплоты, полученной металлом, недостаточно для его полной перекристаллизации. Механические качества металла участка в связи с такой смешанной структурой невысокие.
Участок рекристаллизации 5  включает металл, нагреваемый выше температуры 500 °C. На этом участке структурные изменения в металле не происходят, если только он перед сваркой не подвергался обработке давлением. Если же металл перед сваркой подвергался пластическим деформациям, то на этом участке наблюдается восстановление прежней формы и размеров зерен металла, разрушенных при обработке давлением.
Участок синеломкости 6  по структуре металла не отличается от основного. Однако металл участка имеет несколько пониженные пластичность и вязкость, а также большую склонность к образованию трещин. Ширина зоны термического влияния зависит от вида, способа и режима сварки – при ручной дуговой сварке она равна 2,5–6 мм, при механизированной сварке под флюсом – 2,5–4 мм, при сварке в защитных газах – 1–2,5 мм.
Сварка оказывает незначительное влияние на механические свойства низкоуглеродистой стали. При сварке же конструкционных сталей в зоне термического влияния могут происходить структурные изменения, снижающие механические показатели сварного соединения. При этом в металле шва образуются закалочные структуры и даже трещины.

Глава 9
Сварочная проволока и электроды

Сварочная проволока

Сварочными называют материалы, которые обеспечивают возможность протекания сварочных процессов и получение качественных сварных соединений. К таким относят присадочные, покрытые электроды, флюсы, защитные газы и некоторые другие материалы.
С применением присадочных материалов выполняются практически все сварочные швы. Роль данных материалов, помимо получения необходимой геометрии шва, заключается еще и в обеспечении высоких эксплуатационных характеристик при минимальной склонности к образованию дефектов. В большинстве случаев состав присадочного материала мало отличается от химического состава свариваемого металла. Присадочные материалы разрабатывают применительно к конкретным группам свариваемых металлов и сплавов, а также к их отдельным маркам. При этом учитывают и методы сварки, определяющие потери отдельных элементов.
Присадочный материал должен содержать меньшие количества газов и шлаковых включений, быть более чистым по примесям. Присадочные материалы используют в виде металлической проволоки сплошного сечения  или порошковой проволоки  (с порошковым сердечником). Применяют также прутки, пластины, ленты. 
К сварочной проволоке предъявляют высокие требования по состоянию поверхности, предельным отклонениям по диаметру, овальности и другим показателям. Для заполнения разделки шва в зону дуги вводят присадочный металл в виде прутка или проволоки.
При ручной дуговой сварке  применяют плавящиеся электроды в виде прутков или стержней с покрытием. При механизированной сварке  используют электрод в виде проволоки, намотанной на кассету. Изготовляют стальную холоднотянутую проволоку круглого сечения   диаметрами 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0 и 12,0 мм и поставляют в мотках (бухтах) из одного отреза.
Проволока первых семи диаметров предназначена в основном для полуавтоматической и автоматической сварки в защитном газе.  Для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом  применяют проволоку диаметром 2–6 мм. На изготовление стержней электродов идет проволока диаметром 1,6–12,0 мм. Поверхность проволоки должна быть гладкой, чистой, без окалины, ржавчины, грязи и масла.
По химическому составу стальная проволока делится на три основные группы:  
• углеродистая (6 марок) – с содержанием углерода не более 0,12 % – предназначена для сварки низкоуглеродистых, среднеуглеродистых и некоторых низколегированных сталей;
• легированная (30 марок) – для сварки низколегированных, конструкционных, теплостойких сталей;
• высоколегированная (41 марка) – для сварки хромистых, хромоникелевых, нержавеющих и других специальных легированных сталей.
Проволока маркируется индексом Св  (сварочная), буквами и цифрами. Обозначения легирующих примесей следующие:
Г  – марганец,
С  – кремний,
X  – хром,
Н  – никель,
М  – молибден,
В  – вольфрам,
Ф  – ванадий и др.

Первые две цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента, а цифры после буквы, указывающей легирующие примеси, – количество данного элемента в процентах. Отсутствие цифры после буквенного обозначения легирующего элемента означает, что этого элемента в материале проволоки менее одного процента. Буква А в конце марки указывает на пониженное содержание вредных примесей (серы и фосфора). Например, сварочная проволока марки Св–08ХГ2С содержит 0,08 % углерода, до 1 % хрома, до 2 % марганца и до 1 % кремния. Содержание углерода в сварочной проволоке не превышает 0,12–0,15 %, что снижает склонность металла шва к газовой пористости и образованию твердых закалочных структур.
Содержание кремния  в углеродистой проволоке составляет менее 0,03 %, так как наличие кремния способствует образованию при сварке пор в металле шва. Допустимое содержание серы  и фосфора  также ограниченно (0,04 % каждого элемента), так как они даже при малой концентрации способствуют образованию трещин в сварном шве.
Медь  и ее сплавы сваривают проволокой и прутками из меди и сплавов на медной основе.
Алюминий  и алюминиевые сплавы сваривают сварочной проволокой из алюминия и его сплавов.
Для сварки других металлов и сплавов применяют сварочную проволоку или стержни, изготовленные либо по ГОСТу на свариваемый металл, либо по техническим условиям.

Рис. 57. 
Схема изготовления порошковой проволоки: 
1 – стальная лента; 2 – бункер с шихтой; 3 – фильеры; 4 – порошковая проволока 

Рис. 58. 
Поперечное сечение порошковых проволок: 
а – кольцевая; б – с одной загнутой кромкой; в – с двумя загнутыми кромками; г – двухслойная 

Порошковая электродная проволока   (рис. 57, 58) применяется вместо дорогостоящей легированной сварочной проволоки. Она состоит из таллической оболочки и сердечника. Металлическая оболочка служит для подвода сварочного тока и удержания порошкового сердечника. Сердечник представляет собой смесь порошков минералов, руд, ферросплавов и металлических порошков. Участвуя в металлургическом процессе при сварке, смесь обеспечивает защиту металла сварочной ванны от кислорода и азота воздуха, раскисление и легирование металла шва, образование легко удаляемого шлака и получение высококачественного шва. Сварку порошковой проволокой производят открытой дугой, под флюсом или в защитных газах. 
Порошковая лента   применяется вместо порошковой проволоки (рис. 59) для получения более широкого слоя наплавленного металла и увеличения производительности наплавки. Она сворачивается в рулоны, применяется для наплавки автоматами, снабженными специальными устройствами для подачи ленточных электродов. Широкое применение получили проволоки, не требующие при сварке дополнительной защиты (самозащитные), и проволоки, используемые с газовой защитой зоны сварки (газозащитные).
Сварка порошковой проволокой получает большое применение при изготовлении и монтаже строительных конструкций на строительно-монтажной площадке благодаря высокой производительности и низкой чувствительности к внешним условиям. Наибольшее применение получили проволоки малого диаметра (1,6–2,4 мм) марок ПП—АН1, ПП—АНЗ, ПП—АН7, ПН—АНН, ПП–1ДСК, ПП–2ДСК и др. Они позволяют получить сварные швы с высокими механическими свойствами.

Рис. 59. 
Схема изготовления порошковой ленты: 
а – отбортовка нижней ленты; б – заполнение порошком и укладка верхней ленты; в – завальцовка кромок нижней ленты; г – выдавливание углублений для уплотнения порошка и придания гибкости ленте 

Разработан и успешно применяется способ сварки самозащитной проволокой , т. е. сплошной легированной проволокой без защитной среды (открытой дугой). Металл специальных электродных проволок, применяемых для этого способа, содержит раскисляющие и стабилизирующие элементы. При сварке происходит компенсация выгорания марганца и кремния за счет повышенного содержания их в металле проволоки. Имеющиеся в электродной проволоке алюминий, титан, цирконий и церий обеспечивают хорошее раскисление сварочной ванны, образуя соединение, переходящее в шлак.
Эти элементы связывают азот, нейтрализуя его вредное действие на пластичность и вязкость металла. Введение церия и циркония повышает ударную вязкость и пластичность металла шва. Они также способствуют устойчивости процесса сварки и уменьшению разбрызгивания металла. Этим способом можно производить сварку в углекислом газе постоянным током прямой полярности, что позволяет значительно повысить коэффициент наплавки и производительности сварки. Для этого способа применяют проволоки марок Св–20ГСТЮА и Св–15ГСТЮЦА.

Таблица 12 
Порошковые проволоки 

Для сварки используют электроды: 
НИИ–48Г (Э–10Х20Н9Г6С) – для сварки ответственных конструкций из низколегированных и специальных сталей, высокомарганцовистых сталей типа 110Г13Л, а также сварки таких сталей с хромоникелевыми аустенитными сталями;
ОЗЛ–19 (10Х23Н12Г) – для сварки и заварки дефектов литья из высокомарганцовистой стали марки 110ПЗЛ, а также сварки этой стали с другими сталями, в том числе с легированными типа 30ХГСА и углеродистыми типа сталь 35, сварки в нижнем, вертикальном и ограниченно потолочном положениях шва постоянным током обратной полярности;
ЭА–112/15(10Х15Н25М6Г2АФ) – для сварки легированных высокопрочных сталей типа АК и высокомарганцовистых сталей;
ЭА–395/9 (08Х16Н26М6АГ2) – для сварки ответственных конструкций из легированных сталей повышенной и высокой прочности в термически упрочненном состоянии без последующей после сварки термической обработки, в том числе сталей типа АК, а также сварки углеродистых и низколегированных сталей с аустенитными сталями, например, типа 110Г12Л;
ЭА–981/15 (10Х15Н25М6Г2АФ) – для сварки легированных прочных сталей типа АК и высокомарганцовистых сталей типа 110Г13 разработанная институтом электросварки им. Е. О. Патона самозащитная порошковая проволока ПП АНВ – 2у.

Назначение порошковых проволок

Порошковая проволока ПП АНВ–2у используется для дуговой механизированной сварки при ремонте деталей и оборудования горнодобывающей и горно-обогатительной техники, работающей в условиях трения металла о металл, абразивного изнашивания, а также под воздействием ударных нагрузок. Она может быть использована для наплавки буферных слоев в качестве подслоя перед износостойкой наплавкой, особенно склонной к образованию трещин.
Данный тип сварки предназначен для механизированной полуавтоматической сварки открытой дугой в нижнем положении стали 110Г13Л (ГОСТ –977) и ее разнородных соединений со сталями перлитного класса типа 30Г (ГОСТ–4543), углеродистыми типа 35Г и др. (ГОСТ–1050). Также для сварки разнородных соединений аустенитных высоколегированных коррозийно-стойких сталей типа 12Х18Н10Т (ГОСТ–5632) с углеродистыми сталями типа ВстЗ и др. (ДСТУ 265), (ГОСТ–1050), для сварки стали 45Г17ЮЗ. Наиболее широко применяется порошковая проволока ПП АНВ–2у для сварки и ремонта ковшей карьерных экскаваторов типа ЭКГ–5А, ЭКГ–8, ЭКГ–12,5, ЭКГ–15, KOMATSU PC1600, KOMATSU 4000 и т. д.
Используется проволока для приварки броневых плит в дробилках, наплавки катков и роликов ходовой части гусеничных машин, дорожек траковой цепи, звеньев гусениц, для приварки козырьков к черпакам драг, для приварки литых надставок из стали 110Г13Л к боковинам из стали 30Г рештаков передвижных скребковых конвейеров. Проводились сварочные работы по установке в ковшах защитного износостойкого покрытия, а также по защите от износа кузовов БелАЗов. По упрощенной технологии без предварительного и сопутствующего подогревов применяется для сварки закаливающихся сталей типа 30ХГСА.

Преимущества порошковых проволок

Использование самозащитной порошковой проволоки марки ПП АНВ–2у взамен высоконикелевых электродов с большим запасом аустеничности марок:
ЭА–395/9 (08Х16Н26М6АГ2),
ЭА–981/15 (10Х15Н25М6Г2АФ),
НИАТ–5 (Э–11Х15Н25М6АГ2),
ОЗЛ–19 (10Х23Н12Г),
НИИ–48Г (Э–10Х20Н9Г6С),
ЭА–112/15 (10Х15Н25М6Г2АФ),
ОЗЛ–44 (10Х20Н75М2Г2БТЮФ)
и им подобных обеспечивает: высокое качество сварочного шва, почти полное отсутствие брызг, высокую производительность, получение большого экономического эффекта и сокращение времени изготовления и ремонта изделий. Расход порошковой проволоки на 1 кг наплавленного металла 1,05–1,1 кг. Для сравнения: расход электродов 1,7–1,9 кг.

Металлические электроды

Плавящиеся металлические электроды в виде стержней длиной до 450 мм из сварной проволоки с нанесенным на них покрытием, обеспечивающим устойчивое горение дуги, защиту от вредного воздействия воздуха и металлургическую обработку сварочной ванны, широко применяются для ручной дуговой сварки сталей. В покрытие входят следующие компоненты:
• газообразующие  – неорганические вещества (мрамор СаСО3, магнезит МгСО3) и органические вещества (крахмал, декстрин);
• ионизирующие  или стабилизирующие  – различные соединения, в состав которых входят калий, натрий, кальций (мел, полевой шпат, гранит и др.);
• шлакообразующие , составляющие основу покрытия. Это обычно руды (марганцевая, титановая), минералы (ильменитовый и рутиловый концентраты, полевой шпат, кремнезем, гранит, плавиковый шпат и др.);
• легирующие  элементы и элементы-раскислители  – кремний, марганец, титан и др., используемые в виде сплавов этих элементов с железом, так называемые ферросплавы;
• связующие  компоненты – водные растворы силикатов натрия и калия, называемые жидким стеклом.
Металлические электроды для дуговой сварки изготовляют следующих размеров:

По качеству электроды подразделяются на три группы. Покрытие электрода должно быть однородным, плотным, прочным, без трещин, наплывов, вздутий и эксцентричности относительно оси стержня. Допускаются шероховатость и отдельные риски глубиной менее четверти толщины покрытия, вмятины глубиной до половины толщины покрытия на длине не более 12,0 мм, оголенность только с конца электрода на длине не более половины диаметра и другие мелкие дефекты.
Испытывают прочность  покрытия следующим образом: при падении плашмя на стальную плиту с высоты 1 м электродов диаметром менее 4 мм и с высоты 0,5 м электродов диаметром 4 мм и более покрытие не должно разрушаться.
Проверяют влагостойкость  покрытия погружением электрода в воду и выдержкой в течение 24 ч при температуре 15–25 °C.
Упаковывают электроды в водонепроницаемую бумагу или полиэтиленовую пленку и пачками массой 3–8 кг укладывают в деревянные ящики. Масса ящика от 30 до 50 кг. На каждой пачке имеется этикетка, содержащая наименование завода-изготовителя, условное обозначение электрода, область применения, режимы сварки, обработки и механические показатели сварного шва, свойства наплавленного металла и коэффициент наплавки.
Электроды, изготовленные по ГОСТу, обеспечивают устойчивое горение дуги и спокойное равномерное плавление покрытия.
Шлак ровным слоем покрывает наплавляемый металл и легко удаляется после остывания. Трещины, газовые поры и шлаковые включения в сварном шве не образуются. Химический состав металла шва и допустимое содержание серы и фосфора указываются в паспорте электрода. Содержание серы и фосфора в металле сварного шва при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей должно быть не более 0,05 %, при сварке легированных сталей повышенной прочности – не более 0,04 %. Сварные швы высоколегированных сталей должны содержать не более 0,025 % серы и 0,03 % фосфора.
Для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей  предусмотрены девять типов электродов: Э38, Э42, Э42А, Э4Х, Э46А, Э50, Э50А, Э55, Э60; для сварки легированных конструктукционных сталей повышенной и высокой прочности  – пять типов: Э70, Э85, ЭКЮ, Э125, Э150. Кроме того, предусмотрены девять типов электродов для сварки теплоустойчивых сталей.
Тип электрода обозначается буквой Э и цифрой, указывающей гарантируемый предел прочности металла шва в кгс/мм2. Буква А в обозначении указывает, что металл шва, наплавленный этим электродом, имеет повышенные пластические свойства. Такие электроды применяют при сварке наиболее ответственных швов.
Для изготовления стержней большинства электродов, предназначенных для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей, применяют проволоку марок Св–08 и Св–08А. Каждому типу электрода соответствует несколько марок электродов. Например, типу Э42 соответствуют электроды ОМА–2, АНО–6, МЭЗ–04 и др.
Марка электрода  – это его промышленное обозначение, как правило, характеризующее стержень и покрытие.
Электродные покрытия делят на две группы:
• тонкие (стабилизирующие, ионизирующие);
• толстые (качественные).
Электроды с тонким покрытием  . Назначение тонкого покрытия – облегчить возбуждение дуги и стабилизировать ее горение. Для этого покрытие составляют из вещества, атомы и молекулы которого обладают низким потенциалом ионизации, т. е. легко ионизируются в воздушном промежутке дуги. Такими веществами являются калий, натрий, кальций, барий, литий, стронций и др. Они применяются, чаще всего, в виде углекислых солей (мел [CaCO3], поташ [KCO3], углекислый барий [BaCO3] и др.). В качестве связующего вещества применяют жидкое стекло, представляющее собой силикат натрия. Покрытие наносят на стержень электрода слоем 0,1–0,25 мм, что составляет 1,5–2 % от массы электрода. Тонкое покрытие не создает защиты для расплавленного металла шва, по этой причине при сварке происходит окисление и азотирование наплавленного металла. Шов получается хрупкий, пористый, с различными неметаллическими включениями. Поэтому электроды с тонким покрытием используют при выполнении неответственных сварных швов.
Меловое покрытие  является наиболее простым тонким покрытием. Оно состоит из мелкопросеянного чистого мела, разведенного на жидком стекле. На 100 мас. ч. мела берется 25–30 мас. ч. жидкого стекла. Полученная смесь размешивается в воде до сметанообразного состояния. Электродные стержни окунают в этот раствор и сушат при комнатной температуре или в сушильных шкафах при температуре 30–40 °C. Такие электроды дают при сварке швы очень низкого качества и поэтому применяются редко.
Электроды с тонким покрытием марок К–3 и А–1 дают более качественные сварные швы. Основной составляющей этих покрытий является титановый концентрат . Покрытие К–3 содержит 57,8 % титанового концентрата и 42,2 % марганцевой руды, а жидкое стекло составляет 25–35 % к массе концентрата и руды.
Покрытие А–1 содержит 86,6 % титанового концентрата,10,2 % – марганцевой руды и 3,2 % калиевой селитры. Жидкое стекло берется в количестве 30–35 % к массе остальных компонентов.

Таблица 13 
Механические свойства металлов шва, наплавленного при дуговой сварке металлическими электродами для конструкционных сталей 

При сварке тонкостенных изделий хорошие результаты дает покрытие МТ, состоящее из 62 % титанового концентрата, 31 % полевого шпата и 7 % хромовокислого калия. Жидкое стекло составляет 30 % к массе остальных компонентов. Кроме этих покрытий применяют ряд других, имеющих различные назначения.
Электроды с толстым покрытием   применяют для получения сварных соединений высокого качества, поэтому эти покрытия называют качественными.
Качественное покрытие выполняет следующие функции: 
• обеспечивает устойчивое горение дуги;
• защищает расплавленный металл шва от воздействия кислорода и азота воздуха;
• раскисляет в металле шва оксиды;
• удаляет невосстанавливаемые оксиды в шлак;
• изменяет состав наплавляемого металла вводом в него легирующих примесей;
• удаляет серу и фосфор из расплавленного металла шва;
• образует шлаковую корку над металлом шва;
• замедляет его охлаждение и тем самым способствует выходу газов и неметаллических включений на поверхность металла шва.

Таблица 14 
Механические свойства металлов шва, наплавленного при дуговой сварке металлическими электродами для легированных теплоустойчивых сталей 

Точно рассчитать состав электродных покрытий в зависимости от состава свариваемого металла и требований, предъявляемых к сварочному шву, дает возможность теория сварочных процессов .
Для выполнения перечисленных выше функций электродное покрытие должно содержать следующие компоненты:  
• ионизирующие вещества  для снижения эффективного потенциала ионизации, что обеспечивает стабильное горение дуги. В качестве ионизирующих компонентов в покрытия вводят такие вещества, как мел, мрамор, поташ, полевой шпат и др.;
• газообразующие вещества , которые при сварке разлагаются или сгорают, выделяя большое количество газов, создающих в зоне дуги газовую оболочку. Благодаря этой оболочке металл шва предохраняется от воздействия атмосферного кислорода и азота. Такими газообразующими веществами являются крахмал, древесная мука, целлюлоза и др.;
• раскисляющие вещества , которые обладают большим сродством с кислородом и поэтому восстанавливают металл шва. Раскислителями служат ферросплавы, алюминий, график и др.;
• шлакообразующие вещества , создающие шлаковую защиту расплавленного металла шва, а также капель электродного металла, проходящих через дуговой промежуток. Кроме того, шлаки активно участвуют в металлургических процессах при сварке и способствуют получению качественного шва. В качестве шлакообразующих веществ применяют полевой шпат, кварц, мрамор, рутил, марганцевую руду и др.;
• легирующие вещества , которые в процессе сварки переходят из покрытия в металл шва и легируют его для придания тех или иных физико-механических качеств. Хорошими легирующими веществами являются ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферротитан. Реже применяют различные оксиды металлов (меди, хрома и др.);
• связующие вещества , предназначенные для замеса всех компонентов покрытия в виде пасты, а также для связывания пасты на сердечнике электрода и придания определенной прочности после высыхания покрытия. Таким веществом является жидкое стекло. Реже применяется декстрин.
По видам покрытия электроды подразделяют:  
• с кислым покрытием – условное обозначение А;
• с рутиловым – Р;
• с целлюлозным – Ц;
• с основным – Б;
• с покрытием смешанного типа – двойное обозначение (например, АЦ);
• с прочими видами покрытий – П.
Кислые покрытия  (АНО–1, СМ–5) содержат руды в виде окислов железа и марганца. При плавлении они выделяют кислород, способный окислить металл ванны и легирующие примеси. Для ослабления действия кислорода в покрытие вводят раскислители в виде ферросплавов. Однако наплавленный металл имеет относительно малую вязкость и пластичность и пониженное содержание легирующих примесей.
Рутиловые покрытия  (АНО–3, АНО–4, МР–3, ОЗС–4) имеют основным компонентом рутил (ТiOz – диоксид титана). Шлакообразующими служат рутил, а также полевой шпат, магнезит и др. В качестве раскислителя и легирующего компонента применяют ферромарганец.
Целлюлозные покрытия  (ВСЦ–1, ВСЦ–2, ОМА–2) содержат главным образом органические компоненты в качестве газообразующих и связующих веществ. В качестве раскислителей введены ферромарганец, ферросилиций.
Основные покрытия  (УОНИИ–13, ДСК–50) составлены на основе плавикового шпата (СаР) и мрамора (карбонат кальция СаСО3).
Широко легировать наплавляемый металл позволяет отсутствие в составе этого покрытия оксидов железа и марганца. При сварке можно получить металл шва заранее заданного химического состава с хорошими механическими свойствами. В качестве раскислителей покрытие содержит ферротитан, ферромарганец и ферросилиций.
Условное обозначение электродов  включает марку электрода, диаметр стержня, группу по качеству и номер ГОСТа.
Широкое применение получили следующие электроды:  электроды УОНИИ–13 дают высокое качество металла шва и применяются для сварки ответственных швов из конструкционных сталей, такие электроды выпускаются нескольких марок: УОНИИ–13/45, УОНИИ–13/55, УОНИИ–13/65 и УОНИИ–13/85. Цифры после черты означают получаемый предел прочности металла шва (кгс/мм2). При любом положении шва, но только на постоянном токе обратной полярности, можно производить сварку. Эти электроды применяют в заводских и монтажных условиях. Коэффициент наплавки электродов типа УОНИИ–13 достигает 9,5 г/(Ач).

Таблица 15 
Классификация электродов по роду и полярности тока 

Таблица 16 
Области применения электродов для сварки 

Таблица 17 
Химический состав и механические свойства наплавленного металла зарубежных электродов (по данным каталогов) 

Электрод СМ–11 (тип Э42А) получил широкое распространение в строительстве. Применяется при сварке ответственных конструкций во всех пространственных положениях. Наплавленный металл имеет высокие механические свойства. Коэффициент наплавки электрода СМ–11 достигает 10 г/(А×ч). Важным положительным качеством электрода СМ–11 является устойчивость сварки в условиях монтажа, когда необходимо поддерживать постоянство длины сварочной дуги.
Таким же качеством обладают электроды марки МР–3, имеющие коэффициент наплавки 9 г/(А×ч). Они предназначены для сварки постоянным и переменным током.
Электрод марки ОЗС–4 (тип Э46), коэффициент наплавки 8,5 г/(А×ч), для сварки ответственных металлоконструкций из низкоуглеродистой стали и электрод ОЗС–5, коэффициент наплавки 11 г/(А×ч), содержащий в покрытии железный порошок, получили широкое применение. Сварка выполняется переменным и постоянным токами любой полярности во всех пространственных положениях.
Для сварки ответственных конструкций из низкоуглеродистых сталей переменным или постоянным током во всех пространственных положениях хорошие результаты дают электроды марки АНО–5 (тип Э42), имеющие коэффициент наплавки 11 г/(А×ч), и марки АНО–6, с коэффициентом наплавки 8,5 г/(А×ч).
Для сварки деталей из низкоуглеродистой стали, работающих при динамических нагрузках, применяют электроды марок АНО–3 и АНО–4 (тип Э46), с коэффициентом наплавки 8 г/(А×ч).
Устойчивым горением дуги, незначительным разбрызгиванием металла, стойкостью против образования кристаллизационных трещин и легкостью отделения шлаковой корки характеризуются электроды типа АНО.
Электроды марки ОМА–2 (тип Э42) – стержень из проволоки Св–08 диаметром до 3 мм, ток в пределах 35–65 А применяют для сварки конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей малых толщин (0,8–3,0 мм) во всех пространственных положениях.

Глава 10
Технология выполнения ручной дуговой сварки

Техника выполнения швов

Для выполнения сварного шва прежде всего определяют режим сварки, обеспечивающий хорошее качество сварного соединения, установленные размеры и форму при минимальных затратах материалов, электроэнергии и труда.
Режимом сварки называется совокупность параметров, определяющих процесс сварки: вид тока, диаметр электрода, напряжение и значение сварочного тока, скорость перемещения электрода вдоль шва и др. Основными параметрами режима ручной дуговой сварки являются диаметр электрода и сварочный ток. Остальные параметры выбирают в зависимости от марки электрода, положения свариваемого шва в пространстве, вида оборудования и др. Диаметр электрода устанавливают в зависимости от толщины свариваемых кромок, вида сварного соединения и размеров шва.
Для стыковых соединений приняты практические рекомендации по выбору диаметра электрода в зависимости от толщины свариваемых кромок. При выполнении угловых и тавровых соединений принимают во внимание размер катета шва. При катете шва 3–5 мм сварку производят электродом диаметром 3–4 мм. При катете 6–8 мм применяют электроды диаметром 4–5 мм.
При многопроходной сварке швов стыковых соединений первый проход выполняют электродом диаметром не более 4 мм. Это необходимо для хорошего провара корня шва в глубине разделки.
По выбранному диаметру электрода устанавливают значение сварочного тока. Обычно для каждой марки электродов значение тока указано на заводской этикетке, но можно также определить по следующим формулам:

I = (40–50)d  ,

при d = 4–6 мм;

I = (20+6d)d  ,

при d меньше 4 и больше 6 мм,

где I   – значение сварочного тока (А);
d   – диаметр электрода (мм).

Полученное значение сварочного тока корректируют, учитывая толщину металла и положение свариваемого шва. При толщине кромок менее 1,3–1,6 безрасчетное значение сварочного тока уменьшают на 10–15 %, при толщине кромок больше трех диаметров электрода увеличивают на 10–15 %. Сварку вертикальных и потолочных швов выполняют сварочным током, на 10–15 % уменьшенным против расчетного.

Сварочную дугу возбуждают двумя приемами: 
1. Можно коснуться свариваемого изделия торцом электрода и затем отвести электрод от поверхности изделия на 3–4 мм, поддерживая горение образовавшейся дуги (рис. 60а).
2. Можно также быстрым боковым движением коснуться свариваемого изделия и затем отвести электрод от поверхности изделия на такое же расстояние (по методу зажигания спички) (рис. 60б).

Рис. 60. 
Зажигание сварочной дуги: 
а – кратковременным прикосновением электрода к поверхности изделия; б – чирканьем конца электрода о поверхность изделия 

Прикосновение электрода к изделию должно быть кратковременным, так как иначе он приваривается к изделию, т. е. «примерзает». Отрывать «примерзший» электрод следует резким поворачиванием его вправо и влево. После отрыва дуга зажигается повторно (рис. 61).

Рис. 61. 
Зажигание дуги после ее обрыва: 
1 – место повторного зажигания дуги; 
2 – кратер 

Длина дуги значительно влияет на качество сварки.
Короткая дуга горит устойчиво и спокойно. Она обеспечивает получение шва высокого качества, так как расплавленный металл электрода быстро проходит дуговой промежуток и меньше подвергается окислению и азотированию. Но при этом слишком короткая дуга вызывает «примерзание» электрода, дуга прерывается, нарушается процесс сварки. Горение длинной дуги происходит неустойчиво, с характерным шипением. Глубина проплавления недостаточная, расплавленный металл электрода разбрызгивается и больше окисляется и азотируется. Шов получается бесформенным, а металл шва содержит большое количество окислов.
Для электродов с толстым покрытием длина дуги указывается в паспортах. В процессе сварки электроду сообщаются движения, показанные на рисунке 62.

Рис. 62. 
Перемещение электрода в трех направлениях 

Скорость перемещения электрода  не должна быть большой, так как металл электрода не успевает сплавиться с основным металлом и получается непровар.
При малой скорости перемещения возможны перегрев и пережог металла, шов получается широкий, толстый, производительность сварки низкая.
Поперечные колебательные движения (рис. 63) применяют для получения уширенного валика. Поперечные движения замедляют остывание наплавляемого металла, облегчают выход газов и шлаков и способствуют наилучшему сплавлению основного и электродного металла и получению высококачественного шва. Образующийся в конце наплавки валика кратер необходимо тщательно заварить.

Рис. 63.  Колебательные движения концом электрода поперек шва: 
1, 2, 3 – для равномерного прогрева сварочной ванны; 4 – для усиленного прогрева корня шва; 5, 6 – для усиленного прогрева кромок 

Поперечные колебательные движения конца электрода определяются формой разделки, размерами и положением шва, свойствами свариваемого материала, навыком сварщика. Техника выполнения зависит от вида и пространственного положения шва.
Нижние швы  наиболее удобны для выполнения, так как расплавленный металл электрода под действием силы тяжести стекает в кратер и не вытекает из сварочной ванны, а газы и шлак выходят на поверхность металла. Поэтому по возможности следует вести сварку в нижнем положении.
Стыковые швы  без скоса кромок выполняют наплавкой вдоль шва валика с небольшим уширением. Необходимо хорошее проплавление свариваемых кромок. Шов делают с усилением выпуклость шва до 2 мм. После проверки шва с одной стороны изделие переворачивают и, тщательно очистив от подтеков и шлака, заваривают шов с другой стороны.
Сварку стыковых швов с V-образной разделкой  (рис. 64) при толщине кромок до 8 мм производят в один слой, а при большей толщине – в два слоя и более. Первый слой наплавляют высотой 3–5 мм электродом, диаметр которого 3–4 мм. Последующие слои выполняют электродом диаметром 4–5 мм. Перед наплавкой очередного слоя необходимо тщательно очистить металлической щеткой разделку шва от шлака и брызг металла. После заполнения всей разделки шва изделие переворачивают и выбирают небольшую канавку в корне шва, которую затем аккуратно заваривают. При невозможности подварить шов с обратной стороны следует особенно аккуратно проварить первый слой.

Рис. 64. 
Сварка стыковых швов: 
а – однослойный шов; б – многослойный шов; 1–7 – последовательность наложения швов 

Стыковые швы с Х-образной разделкой  выполняют аналогично многослойным швам с обеих сторон разделки.
Угловые швы в нижнем положении  (рис. 65) лучше выполнять в положении «лодочка». Если изделие не может быть так установлено, необходимо особенно тщательно обеспечить хороший провар корня шва и свариваемых кромок. Сварку следует начинать с поверхности нижней кромки и затем переходить через разделку шва на вертикальную кромку.

Рис. 65. 
Сварка угловых швов: 
а – траектория движения электрода; б – изменение угла наклона электрода; в – сварка в «лодочку» 

Таблица 18 
Сварные соединения 

При наложении многослойного шва первый валик выполняют ниточным швом электродом с диаметром 3–4 мм. При этом необходимо обеспечить хороший провар корня шва. Затем после зачистки разделки наплавляют последующие слои.
Вертикальные швы  (рис. 66) менее удобно сваривать, так как сила тяжести увлекает капли электродного металла вниз. Следует выполнять вертикальные швы короткой дугой снизу вверх. При этом капли металла легче переходят в шов, а образующийся кратер в виде полочки удерживает очередные капли металла от стекания вниз.

Рис. 66. 
Сварка вертикальных швов: 
а – снизу вверх; б – сверху вниз; 1 – положение электрода в начале сварки; 2 – положение электрода в процессе наложения шва 

Таблица 19 
Допустимая наибольшая разность толщин стыкуемых деталей, свариваемых без скоса кромок 

Таким же образом можно вести сварку и сверху вниз. При этом дугу следует зажигать при положении электрода, перпендикулярном плоскости изделия. После образования первых капель металла электрод наклоняют вниз и сварку выполняют максимально возможной короткой дугой. Рекомендуется применять электроды диаметром 4–5 мм при несколько пониженном сварочном токе (150–170 А).

Таблица 20 
Величина скоса детали, имеющей большую толщину, при стыковом соединении ее с тонкостенной деталью 

Горизонтальные швы  (рис. 67) выполняют при разделке кромок со скосом у верхнего листа. Дугу возбуждают на нижней кромке и затем переводят на поверхность скоса и обратно. Сварку выполняют электродом диаметром 4–5 мм.

Рис. 67. 
Сварка горизонтальных швов: 
а – стыковое соединение со скосом одной кромки; б – нахлестанное соединение; в – стыковое соединение со скосом двух кромок 

Горизонтальные нахлесточные швы выполнять легче, так как нижняя кромка образует полочку, удерживающую капли расплавленного металла.
Потолочные швы  (рис. 68) требуют высокой квалификации сварщика. Применяют электроды диаметром не более 5 мм при уменьшенном значении сварочного тока. Следует применять тугоплавкое покрытие электрода, образующее «чехольчик», в котором удерживается расплавленный металл электрода. Дуга должна быть как можно короче для облегчения перехода капель металла электрода в кратер шва.

Рис. 68 .
Сварка потолочных швов 

Выбор порядка и способа выполнения сварных швов зависит от протяженности шва и толщины металла. При сварке тонколистовой стали необходимо строгое соблюдение техники выполнения сварных швов. Особую опасность представляют сквозные прожоги и проплавление металла. Сталь толщиной 0,5–1,0 мм следует сваривать внахлестку с проплавлением через верхний лист или встык с укладкой между свариваемыми кромками стальной полосы. Во втором случае расплавление кромок должно происходить при косвенном воздействии дуги.
Питание дуги производится от преобразователей ПС–100–1 или аппарата переменного тока ТС–120, так как они отличаются повышенным напряжением холостого хода и относительно малыми значениями сварочного тока.

Таблица 21 
Допустимые значения выпуклости и вогнутости сварных угловых швов 

Рекомендуются следующие режимы сварки: 

Таблица 22 
Температура подогрева стыков перед прихваткой и сваркой дуговыми способами при положительной температуре воздуха 

Применяют электроды с покрытием марок МТ или ОМА–2. Сварку ведут на массивных теплоотводящих медных подкладках. Такой способ теплоотвода предохраняет металл от сквозного прожога и способствует хорошему формированию шва. Тонколистовую сталь можно сваривать с отбортовкой кромок. Сварку производят постоянным током неплавящимся электродом (угольным или графитовым) диаметром 6–20 мм при значении сварочного тока 120–160 А.
Металл большой толщины сваривают в несколько проходов. Разделка кромок может быть заполнена слоями или валиками. При толщине металла 15–20 мм сварку выполняют секциями способом двойного слоя : шов разбивают на участки длиной 250–300 мм и каждый участок заваривают двойным слоем. Наложение второго слоя производят после удаления шлака по неостывшему первому слою.
При толщине металла 20–25 мм и более применяют сварку каскадом  или сварку горкой . Каскадный способ заключается в следующем: весь шов разбивают на участки и сварку ведут непрерывно. Окончив сварку слоя на первом участке, продолжают выполнение следующего слоя второго участка по неостывшему предыдущему слою. Разновидностью сварки каскадом является сварка горкой, которая обычно выполняется двумя сварщиками одновременно. Сварка горкой ведется от середины шва к краям. Такие способы сварки обеспечивают более равномерное распределение температуры и значительное снижение сварочных деформаций.

Рис. 69. 
Схемы сварки: 
а – на проход; б – от середины к краям; в – обратноступенчатым способом; г – блоками; д – каскадом; е – горкой; А – направление заполнения разделки; 1–5 – последовательность сварки в каждом слое 

Способы выполнения сварных швов по длине зависят от их протяженности (рис. 69). Условно принято различать короткие швы , длиной до 250 мм, средние швы, длиной 250–1000 мм и длинные швы  протяженностью более 1000 мм. Короткие швы выполняют сваркой на проход, швы средней длины сваривают либо от середины к краям, либо так называемым обратноступенчатым способом . Этот способ заключается в том, что весь шов разбивают на участки и сварку участка производят в направлении, обратном общему направлению сварки шва. Конец каждого участка совпадает с началом предыдущего участка. Длина участка выбирается в пределах 100–300 мм в зависимости от толщины металла и жесткости свариваемой конструкции. Длинные швы сваривают обратноступенчатым способом.
Сварка при низких температурах отличается следующими основными особенностями: стали изменяют свои механические свойства – понижается ударная вязкость и уменьшается угол загиба, ухудшаются пластические свойства и несколько повышается хрупкость, а отсюда склонность к образованию трещин. Это особенно заметно у сталей, содержащих более 0,3 % углерода, а также у легированных сталей, склонных к закалке.
Металл сварочной ванны охлаждается значительно быстрее, что приводит к повышенному содержанию газов и шлаковых включений и, как следствие, к снижению механических свойств металла шва.
В связи с этим установлены следующие ограничения сварочных работ при низкой температуре. Сварка металла толщиной более 40 мм при температуре 0 °C допускается только с подогревом. Подогрев необходим для сталей толщиной 30–40 мм при температуре ниже –10 °C, для сталей толщиной 16–30 мм – при температуре ниже –20 °C и для сталей толщиной менее 16 мм – при температуре ниже –30 °C. Для подогрева металла применяют горелки, индукционные печи и другие нагревательные устройства.
Сварку производят электродами типов Э42А, Э46А, Э50А, обеспечивающими высокую пластичность и вязкость металла шва. Значение тока на 15–20 % выше нормального.

Эффективные методы проведения сварки

Метод опирания, или сварка с глубоким проплавлением

Электрод с утолщенным покрытием используют для получения глубокого проплавления. Стержень электрода плавится быстрее покрытия, в итоге чего на конце электрода образуется чехольчик. Опираясь этим чехольчиком на кромки свариваемого изделия, перемещают электрод вдоль шва без колебательных движений.
Для получения узких швов рекомендуется усиливать нажим на электрод в направлении сварки, а для получения широких швов нажим необходимо ослаблять. Такой метод обеспечивает повышение производительности сварки до 70 % за счет уменьшения расхода наплавляемого металла на единицу длины шва. Короткая дуга и большая концентрация теплоты значительно увеличивают глубину проплавления основного металла.
В закрытой чехольчиком зоне дуги потери металла на угар и разбрызгивание минимальные. Сварочный ток может быть повышен на 40–60 % по сравнению с нормальным. Метод особенно эффективен при сварке угловых и тавровых соединений в нижнем положении или «в лодочку». Для сварки с глубоким проплавлением применяют электроды типов ОЗС–2, ОЗС–6, СМ–17 и др. Сварка таким методом не требует высокой квалификации.

Сварка пучком электродов

Два или несколько электродов с качественным покрытием связывают в двух-трех местах по длине тонкой проволокой, а оголенные от покрытия концы прихватывают сваркой. Через электрододержатель ток подводится одновременно ко всем электродам. Дуга возбуждается на том электроде, который ближе к свариваемому изделию. По мере проплавления дуга переходит от одного электрода к другому. При таком методе электрод нагревается значительно меньше, что позволяет работать при больших токах. Например, при трех электродах диаметром 3 мм допустимый сварочный ток достигает 300 А. Потери металла на угар и разбрызгивание не возрастают, при этом производительность сварки повышается в 1,5–2 раза. Коэффициент наплавки электродов увеличивается, так как стержни электродов все время подогреваются теплотой дуги. В применении этого метода есть одна особенность: пучком электродов невозможно обеспечить хороший провар корня разделки шва. Поэтому приходится предварительно одиночным электродом проваривать корень разделки, а затем уже производить сварку шва пучком электродов. Этот метод дает высокую производительность при наплавочных работах.

Сварка трехфазной дугой

Сварка осуществляется двумя электродами, изолированными друг от друга (рис. 70). К электрододержателю подводятся две фазы источника тока, а третья фаза подводится к свариваемому изделию. Возбуждаются и одновременно горят три сварочные дуги: по одной между каждым электродом и изделием и третья между электродами. Такая схема значительно повышает устойчивость горения дуги, улучшает степень использования теплоты дуги и позволяет снизить напряжение холостого хода.

Рис. 70. 
Сварка трехфазной дугой: 
1, 2 – плавящиеся электроды; 3, 5, 6 – сварочные дуги; 4 – основной металл. 

При сварке трехфазной дугой применяются также следующие схемы: 
• сварка двумя одинарными электрододержателями;
• сварка одним одинарным электрододержателем и вторым электродом, уложенным в разделку шва, но изолированно от свариваемого изделия;
• сварка пучком электродов, из которых только два токоведущие, а остальные холостые (т. е. не включены в сварочную цепь и расплавляются от теплоты дуги).
Сварка трехфазной дугой применима при любых соединениях в нижнем и наклонном положениях. Такой метод особенно рекомендуют для сварки в нижнем положении и «в лодочку» угловых и тавровых соединений.

Сварка ванным способом

Ванный способ применяют при сварке стыков арматуры железобетонных конструкций. Сущность способа заключается в следующем: к стержням арматуры в месте стыка приваривают стальную форму, в которой теплотой дуги создают ванну расплавленного металла, непрерывно подогреваемую дугой. От теплоты металла ванны плавятся торцы свариваемых стержней, образуется общая ванна металла шва и затем при остывании – сварное соединение.
При сварке вертикальных швов в качестве формующей детали применяют штампованную форму из листовой стали, которую приваривают к нижнему стержню, после чего прихватывают конец верхнего стержня к нижнему стержню и переходят к заполнению формы наплавляемым металлом. Для выпуска шлака прожигают электродом отверстия в стенке формы, которые затем заваривают.
Процесс сварки ведут при больших токах. Например, для электродов диаметром 5–б мм значение сварочного тока достигает 400–450 А.
Сварку при низких температурах выполняют током выше установленного на 10–12 %. Зазор между торцами свариваемых стержней должен быть не меньше удвоенного диаметра электрода. Сварку можно выполнять одним или несколькими электродами одновременно. Рекомендуется применять электроды марки УОНИИ–13/55 (типа Э50А). Ванный способ значительно уменьшает расход электродов и электроэнергии, снижает трудоемкость.

Деформации и напряжения при проведении сварки

Сварные деформации и напряжения снижают механическую прочность сварных конструкций. Для получения сварных конструкций высокой прочности необходимо, прежде всего, выбрать наиболее рациональное размещение сварных швов, сочетая его с оптимальной технологией выполнения.
Количество сварных швов, их протяженность и сечение должны быть минимальными в соответствии с прочностным расчетом конструкции. Перекрещивающиеся швы не рекомендуются. Симметричное расположение швов значительно снижает деформацию конструкции. Стыковые швы более желательны, чем угловые.

Основными причинами возникновения сварочных деформаций и напряжений являются:  
• неравномерное нагревание и охлаждение изделия;
• литейная усадка наплавленного металла;
• структурные превращения в металле шва.
Неравномерное нагревание и охлаждение  вызывают тепловые напряжения и деформации. При сварке происходит местный нагрев небольшого объема металла, который при расширении воздействует на близлежащие менее нагретые слои металла. Напряжения, возникающие при этом, зависят главным образом от температуры нагрева, коэффициента линейного расширения и теплопроводности свариваемого металла. Чем выше температура нагрева, а также чем больше коэффициент линейного расширения и ниже теплопроводность металла, тем больше тепловые напряжения и деформации в свариваемом шве.
Литейная усадка  вызывает напряжения в сварном шве в связи с тем, что при охлаждении объем наплавленного металла уменьшается, вследствие чего в близлежащих слоях металла возникают растягивающие усилия, являющиеся причиной образования напряжений и деформаций в металле. При этом чем меньше количество расплавленного металла, тем меньше значения возникающих напряжений, деформаций.
Структурные превращения  вызывают растягивающие и сжимающие напряжения, так как они в некоторых случаях сопровождаются изменениями объема свариваемого металла. Например, у углеродистых сталей при нагреве происходит образование аустенита из феррита. Этот процесс сопровождается некоторым уменьшением объема. При больших скоростях охлаждения шва металла у высокоуглеродистых сталей аустенит образует структуру менее плотную, чем металл. Это сопровождается увеличением объема наплавленного металла. При сварке низкоуглеродистой стали напряжения, возникающие от структурных превращений, небольшие и практического значения не имеют.
Стали, содержащие более 0,35 % углерода, и большинство склонных к закалке легированных сталей дают значительные объемные изменения от структурных превращений. Вследствие этого развиваемые напряжения оказываются достаточными для возникновения трещин. Для уменьшения внутренних напряжений и деформаций, возникающих при сварке, рекомендуется ряд технологических мер и приемов наложения сварных швов.
Важное значение имеют:
• правильный выбор конструкции изделия;
• расположение сварных швов;
• последовательность их выполнения;
• режимы сварки.
Уменьшения внутренних напряжений  достигают следующими мерами:
• длинные швы выполняют обратноступенчатым способом на проход;
• многослойная сварка выполняется каскадным способом или горкой, при этом хорошие результаты дает послойная проковка шва (кроме первого и последнего слоев);
• швы накладывают с таким расчетом, чтобы последующий шов вызывал деформации, обратные возникшим от предыдущего шва;
• последовательность выполнения швов должна допускать свободную деформацию элементов конструкций. Например, при сварке настила из нескольких листов следует в первую очередь выполнить швы, соединяющие листы полос, и лишь затем швы, соединяющие эти полосы между собой;
• для вязких металлов могут быть рекомендованы способы сварки, значительно снижающие остаточные деформации – закрепление элементов свариваемой конструкции в сборно-сварочных приспособлениях (сборка, сварка и остывание изделия);
• широко применяется на практике способ, заключающийся в интенсивном отводе теплоты. Например, частичным погружением изделия в воду, охлаждением струей воды, применением отводящих теплоту медных подкладок. У сталей, склонных к образованию закалочных структур, резкое охлаждение шва и околошовной зоны вызывает значительные внутренние напряжения и даже появление трещин в наплавленном металле.
Для уменьшения разности температур в изделии и обеспечения медленного охлаждения применяют предварительный подогрев изделия . При сварке в условиях низких температур такой подогрев обязателен даже для низкоуглеродистых сталей.
Для снятия внутренних напряжений иногда применяют термическую обработку сварных изделий, главным образом отжиг  или нормализацию . Отжиг применяют полный или низкотемпературный.
Полный отжиг  производится путем нагрева изделия до температуры 800–950 °C, выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения. В результате такой обработки пластичность и вязкость наплавленного металла и металла зоны термического влияния возрастают, а твердость металла снижается. При этом в сварном изделии полностью снимаются внутренние напряжения.
Низкотемпературный отжиг  (или высокий отпуск) производится нагревом сварного изделия до температуры 600–650 °C, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением. Так как температура нагрева ниже критической, структурные изменения в металле не происходят. При меньших температурах нагрева сварочные напряжения снимаются частично.
Нормализация  производится нагревом изделия до температуры на 30–40 °C выше критической, выдержкой при этой температуре и охлаждением на воздухе (т. е. с несколько большей скоростью, чем при отжиге). Подобная обработка является наилучшей для сварных изделий, так как не только снимает внутренние напряжения, но и позволяет получить мелкозернистую структуру металла. Особенно следует рекомендовать нормализацию для сварных изделий из низкоуглеродистых сталей, содержащих углерода менее 0,25 %.

Глава 11
Оборудование для проведения газовой сварки

Оборудование и аппаратура для проведения газовой сварки

Газовой сваркой называется сварка плавлением, при которой нагрев кромок соединяемых частей и присадочного материала производится теплотой сгорания горючих газов в кислороде.  Классифицируется газовая сварка по виду применяемого горючего газа (ацетилено-кислородная, керосино-кислородная, бензино-кислородная, пропанобутано-кислородная и др.). Широкое применение получили газовые сварки ацетиленокислородная и пропанобутано-кислородная.

Для производства работ сварочные посты должны иметь следующее оборудование и инвентарь  (рис. 71): 
• ацетиленовый генератор или баллон с горючим газом;
• кислородный баллон;
• редукторы (кислородный и для горючего газа);
• сварочная горелка с набором сменных наконечников;
• шланги для подачи горючего газа и кислорода в горелку;
• сварочный стол;
• приспособления для сборки изделий под сварку;
• комплект инструментов.

Рис. 71.  Оборудование поста для газовой сварки: 1 – горелка; 2 – шланг для подвода ацетилена; 3 – шланг для подвода кислорода; 4 – ацетиленовый баллон; 5 – ацетиленовый редуктор; 6 – кислородный редуктор; 7 – кислородный вентиль; 8 – кислородный баллон 

Ацетиленовым генератором  называется аппарат, предназначенный для получения ацетилена при взаимодействии карбида кальция с водой.

Ацетиленовые генераторы различают по следующим признакам:
1. По давлению получаемого ацетилена  – генераторы низкого давления – до 0,02 МПа и среднего давления – 0,01–0,15 МПа.
2. По производительности  – генераторы дают 0,3–640 м3/ч ацетилена (чаще применяют генераторы производительностью 1,25 м3/ч).
3. По способу установки  – передвижные и стационарные.
4. По принципу взаимодействия карбида кальция с водой  – работающие по принципам «карбид в воду» (КВ), «вода в карбид» (ВК), «вытеснение воды» (ВВ), комбинированные (рис. 72).

Рис. 72 . Схемы ацетиленовых генераторов: 
а – «карбид в воду»; б – «вода в карбид»; в – «вытеснение»; г, д – комбинированные системы; 1– бункер или барабан с карбидом кальция; 2 – реторта; 3 – система подачи воды; 4 – газосборник; 5 – спуск газа; 6 – отбор газа 

Принцип КВ  предусматривает периодическую подачу в воду карбида кальция. При этом достигается наибольший выход ацетилена – до 95 %.
Принцип ВК  осуществляется периодической подачей порций воды в загрузочное устройство, куда заранее насыпается карбид кальция.
Комбинированный принцип  предусматривает периодическое соприкосновение и взаимодействие карбида кальция с водой. Применяют два варианта: «вытеснение воды» (для разобщения воды и карбида кальция) и «погружение карбида» (для получения контакта воды с карбидом кальция). Этот принцип осуществляется автоматически и широко используется в передвижных генераторах, но по сравнению с другими дает наименьший выход ацетилена.
Принцип ВВ  предусматривает разложение карбида кальция при соприкосновении его с водой в зависимости от уровня воды, находящейся в реакционном пространстве и вытесняемой образующимся газом. Все ацетиленовые генераторы, независимо от их системы, имеют следующие основные части: газообразователь, газосборник, предохранительный затвор, автоматическую регулировку вырабатываемого ацетилена в зависимости от его потребления.

Рассмотрим принцип работы однопостового передвижного морозоустойчивого ацетиленового генератора низкого давления типа АНВ–1,25  , работающего по принципу «вода на карбид» в сочетании с процессом «вытеснения воды». Производительность этого генератора составляет 1,25 м3/ч, максимальное давление равно 0,01 МПа.
Цилиндрический корпус генератора разделен горизонтальной перегородкой на две части: водосборник и газосборник. В нижнюю часть газосборника вварена реторта, в которую вставляется загрузочная корзина с карбидом. Реторта плотно закрывается крышкой на резиновой прокладке. Через верхнюю открытую часть корпуса генератор заполняется водой до отметки уровня. При открывании крана вода из корпуса поступает в реторту и взаимодействует с карбидом. Выделяющийся ацетилен собирается под перегородкой в газосборнике и затем через осушитель и водяной затвор поступает в сварочную горелку или резак. При установившемся режиме давление ацетилена сохраняется почти постоянным.
При уменьшении расхода газа давление в газосборнике повышается и часть воды вытесняется из реторты в конусообразный сосуд-вытеснитель. Уровень воды в корпусе опускается ниже уровня крана для подачи воды и ее поступление в реторту прекращается, газовыделение замедляется.
По мере расходования ацетилена давление понижается, уровень воды в корпусе повышается и вода снова поступает в реторту. Так автоматически регулируются процесс взаимодействия карбида с водой и выделение ацетилена в зависимости от его расхода.
В зимних условиях при температуре до –25 °C генератор работает нормально, так как его водоподающая система расположена внутри корпуса, где вода нагревается теплотой реакции взаимодействия воды с карбидом кальция. Водяной затвор устанавливается также внутри корпуса в циркуляционной трубе.
Летом водяной затвор монтируется на корпусе генератора снаружи. Осушитель на зиму заправляется в нижней половине, как обычно, коксом, а в верхней – карбидом. Генераторы типов АНВ–1,25–68  и АНВ–1,25–73   отличаются конструкцией загрузочной корзины и расположением крана подачи воды.
Стационарные ацетиленовые генераторы типа ГРК–10–68   производительностью 10 м3/ч и рабочим давлением 0,07 МПа, а также генераторы АСК–1–67, АСК–3–74 и АСК–4–74   служат для питания ацетиленом нескольких сварочных постов. Каждый пост должен быть обязательно оборудован предохранительным затвором . Ацетилен поставляется к сварочному посту либо по трубопроводу, либо в ацетиленовых баллонах вместимостью 40 л, в которых при максимальном давлении 1,9 МПа содержится около 5,5 м3 ацетилена.
Для обеспечения безопасного хранения и транспортирования ацетилена баллон заполняют пористым активированным углем, а для увеличения количества ацетилена в баллоне активированную пористую массу пропитывают растворителем – ацетоном (один объем ацетона растворяет 23 объема ацетилена). Баллон окрашен в белый цвет и на нем сделана надпись «Ацетилен».
Предохранительными затворами  называются устройства, предохраняющие ацетиленовые генераторы и газопроводы от попадания в них взрывной волны при обратных ударах пламени из сварочной горелки или резака.
Обратным ударом  называют воспламенение горючей смеси в каналах горелки или резака и распространение пламени по шлангу для подачи горючего газа. При отсутствии предохранительного затвора пламя может попасть в ацетиленовый генератор и вызвать его взрыв. Обратный удар может произойти, если скорость истечения горючей смеси станет меньше ее сгорания, а также от перегрева и засорения мундштука горелки.
Предохранительные затворы бывают жидкостные  и сухие . Жидкостные заливают водой, сухие заполняют мелкопористой металло-керамической массой. Затворы классифицируют:
1. По пропускной способности – 0,8; 1,25; 2,0; 3,2 м3/ч.
2. По предельному давлению – низкое давление, когда предельное давление ацетилена не превышает 10 кПа, среднее давление – 70 и высокое давление – 150 кПа. Предохранительные затворы устанавливают между ацетиленовым генератором или ацетиленопроводом при многопостовом питании от стационарных генераторов и горелкой или резаком.
Принцип действия водяного затвора  следующий (рис. 73):
• корпус 3  затвора заполняется водой до уровня контрольного крана КК; 
• ацетилен поступает по трубке 1,  проходит через обратный клапан  2 в нижней части корпуса;
• в верхнюю часть корпуса газ поступает через отражатель 4 ;
• ацетилен отводится к месту потребления через расходный кран РК.  В верхней части корпуса есть трубка, закрытая мембраной 5  из алюминиевой фольги. При обратном ударе мембрана разрывается и взрывная смесь выходит наружу;
• давление взрыва через воду 6  передается на клапан 2,  который закрывает подвод газа от генератора. После выхода взрывной смеси мембрану надо заменить.

Рис. 73 . Схема водного затвора: 
а – при нормальной работе; б – при обратном ударе 

Сухие предохранительные затворы  (ЗСУ–1) обладают рядом преимуществ: имеют меньшие размеры, массу, практически не требуют ежедневного ухода и контроля, не увлажняют газ и позволяют работать при отрицательных температурах окружающего воздуха. Их можно устанавливать в любом положении. Кислород подается к посту сварки либо от кислородной рампы, либо от кислородного баллона вместимостью 40 л, в котором при максимальном давлении 15,0 МПа содержится 6 м3 кислорода. Баллон окрашен в голубой цвет и имеет черную надпись «Кислород».
Баллон для газов (горючего и кислорода) изготовляют из стальных бесшовных труб. Он представляет собой цилиндрический сосуд с выпуклым днищем и узкой горловиной. Для придания баллону устойчивости в рабочем (вертикальном) положении на его нижнюю часть напрессован башмак с квадратным основанием. Горловина баллона имеет конусное отверстие с резьбой, куда ввертывается запорный вентиль – устройство, позволяющее наполнять баллон газом и регулировать его расход.
Для различных газов принята определенная конструкция вентиля. Различная резьба хвостовика исключает возможность установки на баллон не соответствующего ему вентиля. Вентиль кислородного баллона изготовляют из латуни, так как она обладает высокой коррозионной стойкостью в среде кислорода. Вентиль ацетиленового баллона изготовляют из стали, так как сплавы меди, содержащие более 70 % меди, при контакте с ацетиленом образуют взрывоопасную ацетиленовую медь. На горловину баллона плотно насажено кольцо с наружной резьбой для навинчивания предохранительного колпака. Вентиль кислородного баллона используется также для баллонов с азотом, аргоном и углекислым газом. Редукторы служат для понижения давления газа, поступающего из баллона, до рабочего давления газа (подаваемого через шланг в горелку) и для поддержания давления постоянным в процессе сварки. Применяются различные типы редукторов.
Рассмотрим принцип действия однокамерного редуктора.   Газ из баллона проходит в камеру высокого давления. При нерабочем положении частей редуктора проход газа из камеры высокого давления в камеру низкого давления закрыт клапаном. При ввертывании регулировочного винта в крышку корпуса пружина-штифт открывает клапан, соединяя камеру высокого давления с камерой низкого давления. Газ поступает до тех пор, пока давление его на мембрану не уравновесит усилие нажимной пружины. В этом положении расход и поступление газа будут равны.
Если расход газа уменьшается, то давление в камере повышается, клапан закроет отверстие и поступление газа в камеру прекратится. При увеличении расхода газа давление в камере понижается, мембрана отжимает клапан от седла, и тем самым увеличивается поступление газа из баллона. Так автоматически поддерживается постоянное давление газа, подаваемого в горелку.
Кислородный баллонный редуктор типа ДКП–1–65  предназначен для питания газом одного поста. Наибольшее допустимое давление газа на входе в редуктор – 20 МПа, наименьшее 3 МПа. Рабочее давление – 0,1–1,5 МПа. При наибольшем рабочем давлении расход газа составляет 60 м3/ч, а при наименьшем – 7,5 м3/ч.
Редуктор окрашен в голубой цвет и крепится к баллону с помощью накидной гайки. В настоящее время выпускают более совершенные редукторы типа ДКП–2–78  с той же технической характеристикой. Ацетиленовый балонный редуктор типа ДАП–1–65  рассчитан на наибольшее давление на входе 3 МПа. Расход газа при наибольшем рабочем давлении 0,12 МПа составляет 5 м3/ч, а при наименьшем рабочем давлении 0,01 МПа – 3 м3/ч. Редуктор окрашен в белый цвет и крепится на баллоне с помощью хомутика.
Шланги (рукава) для кислорода и ацетилена стандартизованы. Предусмотрено три типа шлангов:
1) для подачи ацетилена при рабочем давлении не более 0,6 МПа;
2) для жидкого топлива (бензин, керосин) при рабочем давлении не более 0,6 МПа;
3) для подачи кислорода при рабочем давлении не более 1,5 МПа.
Рукава состоят из внутреннего резинового слоя (камеры), нитяной оплетки и наружного резинового слоя. Наружный слой ацетиленовых рукавов – красного цвета, рукавов для жидкого топлива – желтого, кислородных – синего. Длина шланга при работе от баллона должна быть не менее 8 м, а при работе от генератора – не менее 10 м; наибольшая допустимая длина – 40 м.
Крепление рукавов на ниппелях горелок и между собой осуществляется специальными хомутиками или мягкой отожженной проволокой.
Сварочная горелка  предназначена для смешивания горючего газа или паров горючей жидкости с кислородом и получения устойчивого сварочного пламени требуемой мощности.
Горелки классифицируются (рис. 74):
1. По способу подачи горючего в смесительную камеру – инжекторные и безинжекторные.
2. По назначению – универсальные (для сварки, наплавки, пайки, подогрева и других работ) и специализированные.
3. По роду применяемого горючего.
4. По числу рабочего пламени – однопламенные и многопламенные.
5. По мощности, определяемой расходом ацетилена (л/ч): микромощности (5–60), малой (25–700), средней (50–2500) и большой мощности (2500–7000).
6. По способу применения – ручные и машинные.

Рис. 74.  Схемы ацетиленовых горелок: 
а – инжекторная; б – безынжекторная; 1 – ствол; 2 – инжектор; 3 – смесительная камера; 4 – мундштук; 5, 6, 7 – вентили; 8 – подводящие трубки 

Большое распространение получили ацетиленокислородные инжекторные горелки. Они работают по принципу подсоса горючего газа, давление которого может быть ниже 0,01 МПа, т. е. ниже минимальных давлений, установленных для подвижных ацетиленовых генераторов.
Давление кислорода должно быть в пределах 0,15–0,5 МПа. Безынжекторные горелки работают на горючем газе и кислороде, поступающих в смесительную камеру под одинаковым давлением в пределах 0,01–0,1 МПа, т. е. требуют питания горючим среднего давления. Для нормальной работы такой горелки в систему питания включают регулятор, обеспечивающий равенство рабочих давлений кислорода и горючего газа.
Принцип действия ацетиленокислородной инжекторной горелки следующий. По шлангу и трубке к вентилю и через него в инжектор поступает кислород. Вытекая с большой скоростью из инжектора в смесительную камеру, струя кислорода создает разрежение, вызывающее подсос ацетилена. Ацетилен поступает по шлангу к соединительному ниппелю, а затем через корпус горелки и вентиль в смесительную камеру, где образует с кислородом горючую смесь. Полученная смесь по трубке наконечника поступает в мундштук и, выходя в атмосферу, при сгорании образует сварочное пламя.
Горелка состоит из ствола и комплекта сменных наконечников, присоединяемых к стволу накидной гайкой. Каждый наконечник обеспечивает соответствующую мощность пламени. Предусмотрены четыре типа горелок.
Горелки Г1 микромощности  – для сварки металлов толщиной 0,1–0,5 мм.
Горелки Г2 малой мощности  применяют для сварки тонкостенных изделий (0,2–7 мм) и комплектуются наконечниками №№ 0–4.
Горелки Г3 средней мощности  служат для сварки металла толщиной 0,5–30 мм. В комплект горелки входят ствол и семь наконечников №№ 0–7.
Горелки Г4 большой мощности  предназначены для сварочных работ и огневой обработки изделий больших толщин (наконечники № 8 и № 9).
Для использования заменителей ацетилена применяется горелка марки ГС–4А–67П, представляющая собой горелку ГС–4 с сетчатым наконечником. Сетчатые наконечники позволяют использовать в качестве горючего пропан-бутановые смеси, природный газ и другие заменители ацетилена. Кроме того, применяются пропан-бутановые горелки ГЗУ–2–62–1, односопловые наконечники которых имеют подогреватели и подогревающие камеры, и горелки марки ГЗУ–2–62–П, имеющие сетчатые наконечники без подогревающих устройств. Наконечники этих горелок крепятся на стволе горелок ГС–3.
Для малой мощности используют горелки марки ГЗМ–2–62М с односопловым наконечником меньших размеров и подогревающим устройством. Наконечники крепятся на стволе горелок ГС–2.

Газы для проведения сварки и резки металлов

Кислород  при газовой сварке способствует интенсивному горению горючих газов и получению высокотемпературного пламени. При горении газов в воздухе температура пламени значительно ниже, чем при горении в кислороде. При газовой сварке применяют газообразный технический кислород трех сортов.
Первый сорт характеризуется чистотой не ниже 99,7 % по объёму, второй сорт – не ниже 99,5 %, а третий сорт – не ниже 99,2 %. Технический кислород содержит примеси, состоящие из азота и аргона. Следует учесть важное значение чистоты кислорода при сварке и резке металла. Снижение чистоты кислорода на 1 % не только ухудшает качество сварного шва, но и требует увеличения расхода кислорода на 1,5 %.
Кислород при атмосферном давлении и нормальной температуре представляет собой газ без цвета и запаха с плотностью 1,43 кг/м3. Его получают из воздуха методом низкотемпературной ректификации, основанным на разности температур кипения основных составляющих воздуха – азота (–195,8 °C) и кислорода (–182,9 °C). Воздух переводят в жидкое состояние и затем постепенным повышением температуры испаряют азот (78 %). Оставшийся кислород (21 %) очищают многократным процессом ректификации.
Ацетилен  в газосварочном производстве получил наибольшее распространение благодаря важным для сварки качествам – высокой температуре пламени, большой теплоте сгорания. Он представляет собой химическое соединение углерода с водородом (С2Н2). Это бесцветный газ с характерным запахом, обусловленным наличием примесей – сероводорода, фтористого водорода и др. Ацетилен взрывоопасен при следующих условиях: нагревании до 480–500 °C, давлении 0,14–0,6 МПа, наличии 2,3–80,7 % ацетилена в смеси с воздухом, наличии 2,8–93 % ацетилена в смеси с кислородом.
Ацетилен получают при взаимодействии карбида кальция с водой по реакции:

СаС2 + 3Н2О = С2Н2 + Ca(OH)2.

карбид кальция получают путем сплавления в электропечах кокса и обожженной извести:

СаО + 3С = СаС2 + СО.

Карбид кальция очень активно вступает в реакцию с водой, реагируя даже с парами воды, насыщающими воздух. Поэтому его хранят и транспортируют в герметически закрытых стальных барабанах, содержащих 50–130 кг карбида. Из 1 кг карбида кальция в зависимости от сорта и грануляции получают 235–280 л ацетилена. Следует иметь в виду, что мелкий и пылеобразный карбид кальция применять запрещается – он взрывоопасен. Для взаимодействия 1 кг карбида кальция теоретически необходимо 0,56 л воды, практически берут 7–20 л воды для обеспечения охлаждения ацетилена и безопасной работы генератора.
Водород  – газ без цвета и запаха. В смеси с кислородом или воздухом он образует взрывчатую смесь (гремучий газ), поэтому требует строгого соблюдения правил техники безопасности.
Водород хранится и транспортируется в стальных баллонах при максимальном давлении 15 МПа. Получают его электролизом воды или в специальных водородных генераторах путем воздействия серной кислотой на железную стружку или цинк.
Пиролизный газ  – смесь газообразных продуктов термического разложения нефти, нефтепродуктов или мазута. Содержит вредные сернистые соединения, вызывающие коррозию мундштуков горелок и резаков, поэтому требует тщательной очистки.
Нефтяной газ  – смесь горючих газов, являющихся побочным продуктом нефтеперерабатывающих заводов. Его применяют для сварки, резки и пайки сталей толщиной до 3 мм и сварки цветных металлов.
Природный газ  получают из газовых месторождений. Он состоит в основном из метана (93–99 %).
Пропанабутановую смесь  получают при добыче и переработке естественных нефтяных газов и нефти. Хранят и транспортируют в сжиженном состоянии в баллонах вместимостью 40 и 55 л под давлением 1,6–1,7 МПа. Жидкой смесью заполняют только половину баллона, так как при нагреве значительное повышение давления может привести к взрыву.
Бензин и керосин  используют при газопламенной обработке в виде паров. Для этой цели горелки и резаки имеют специальные испарители, которые нагреваются от вспомогательного пламени или электрическим током.

Сварочное пламя

Газовым  или сварочным пламенем  называется основной источник теплоты при сварке и других процессах газопламенной обработки. Сварочное пламя образуется при сгорании смеси горючего газа или паров горючей жидкости с кислородом.
Свойства сварочного пламени зависят от того, какое горючее подается в горелку и при каком соотношении кислорода и горючего создается газовая смесь. Изменяя количество подаваемого в горелку кислорода и горючего газа, можно получить нормальное, окислительное или науглероживающее сварочное пламя.
Нормальное или восстановительное пламя   должно получаться при объемном отношении количества кислорода к ацетилену 1:1. Практически вследствие загрязненности кислорода нормальное пламя получается при несколько большем количестве кислорода, т. е. при 1,1:1,3. Нормальное пламя способствует раскислению металла сварочной ванны и получению качественного сварного шва. Поэтому большинство металлов и сплавов сваривают нормальным пламенем. Нормальное ацетиленокислородное пламя состоит из трех зон: ядра, восстановительной зоны и факела  (рис. 75).

Рис. 75. 
Схема нормального ацетиленокислородного пламени и распределения температур: 
1 – ядро; 2 – восстановительная зона; 3 – факел 

Форма ядра – конус с закругленной вершиной, имеющей светящуюся оболочку. Ядро состоит из продуктов распада ацетилена с выделившимися раскаленными частицами углерода, которые сгорают в наружном слое оболочки. Длина ядра зависит от скорости истечения горючей смеси из мундштука горелки. Чем больше давление газовой смеси, тем больше скорость истечения, тем длиннее ядро пламени.
Восстановительная зона по своему темному цвету заметно отличается от ядра. Она состоит в основном из оксида углерода и водорода, получающихся в результате частичного сгорания ацетилена. В этой зоне создается наивысшая температура пламени – 3000 °C на расстоянии 3–5 мм от конца ядра. Этой частью пламени производят нагревание и расплавление свариваемого металла. Находящиеся в этой зоне частицы оксида углерода и водорода могут восстанавливать образующиеся оксиды металлов.
Факел  располагается за восстановительной зоной и состоит из углекислого газа и паров воды, которые получаются в результате сгорания оксида углерода и водорода, поступающих из восстановительной зоны. Сгорание происходит за счет кислорода, содержащегося в окружающем воздухе. Зона факела содержит также азот, попадающий из воздуха.
Окислительное пламя   получается при избытке кислорода. Ядро такого пламени значительно короче по длине, с недостаточно резким очертанием и более бледной окраской. Восстановительная зона и факел пламени также сокращаются по длине. Пламя имеет синевато-фиолетовую окраску. Температура пламени несколько выше нормальной. Однако таким пламенем сваривать стали нельзя, так как наличие в пламени избыточного кислорода приводит к окислению расплавленного металла шва и он получается хрупким и пористым.
Науглероживающее пламя   получается при избытке ацетилена. Ядро такого пламени теряет резкость своего очертания, и на его вершине появляется зеленоватый ореол, свидетельствующий о наличии избыточного ацетилена. Восстановительная зона значительно светлеет, а факел получает желтоватую окраску. Очертания зон теряют свою резкость. Избыточный ацетилен разлагается на углерод и водород. Углерод легко поглощается расплавленным металлом шва. Поэтому таким пламенем пользуются для науглероживания металла шва или восполнения выгорания углерода. Регулирование сварочного пламени производится по его форме и окраске. Важное значение имеет правильный выбор давления кислорода, его соответствие паспорту горелки и номеру наконечника. При высоком давлении кислорода смесь вытекает с большой скоростью, пламя отрывается от мундштука, происходит выдувание расплавленного металла из сварочной ванны.
При недостаточном давлении кислорода скорость истечения горючей смеси падает, пламя укорачивается и возникает опасность обратных ударов. Нормальное пламя можно получить из окислительного, постепенно увеличивая поступление ацетилена до образования яркого и четкого ядра пламени. Можно отрегулировать нормальное пламя и из науглероживающего, убавляя подачу ацетилена до исчезновения зеленоватого ореола у вершины ядра пламени. Характер пламени выбирают в зависимости от свариваемого металла. Например, при сварке чугуна и наплавке твердых сплавов применяют науглероживающее пламя, а при сварке латуни – окислительное.
Важным показателем сварочного пламени является тепловая мощность . Мощность пламени принято определять расходом ацетилена (л/ч), а удельной мощностью пламени  называют часовой расход ацетилена в литрах, приходящийся на 1 мм толщины свариваемого металла. Мощность пламени зависит от толщины свариваемого металла и его теплопроводности. Например, при сварке углеродистых и низколегированных сталей, чугуна, сплавов меди и алюминия удельная мощность пламени составляет 80–150 л/(ч×мм), а при сварке меди, обладающей высокой теплопроводностью, удельную мощность выбирают в пределах 150–220 л/(ч×мм).

Техника газовой сварки

Качество сварного соединения зависит от правильного выбора режима и техники выполнения сварки. При сварке деталей из листового металла толщиной до 2 мм сварка ведется без присадочного материала за счет расплавления предварительно отбортованных кромок.
Метод газовой сварки прост, универсален, не требует дорогостоящего оборудования и используется в заводских или цеховых условиях, а также при строительно-монтажных и ремонтных работах на любых производствах. При ручной сварке пламя горелки направляют на свариваемые кромки так, чтобы они находились в восстановительной зоне на расстоянии 2–6 мм от конца ядра. Конец присадочной проволоки держат в восстановительной зоне или в сварочной ванне.
Положением горелки  называется угол наклона мундштука к поверхности свариваемого металла. Этот угол зависит от толщины соединяемых кромок изделия и теплопроводности металла (рис. 76).

Рис. 76. 
Углы наклона мундштука горелки при сварке различных толщин (а) и способы перемещения мундштука горелки (б): 
1 – с отрывом горелки; 2 – спиралеобразный; 3 – полумесяцем; 4 – волнистый 

Чем толще металл и чем больше его теплопроводность, тем угол наклона мундштука горелки должен быть больше. Это способствует более концентрированному нагреву металла вследствие подведения большего количества теплоты. При сварке низкоуглеродистой стали вначале для быстрого и лучшего прогрева металла устанавливают наибольший угол наклона, затем в процессе сварки угол уменьшают до нормы, а в конце сварки постепенно уменьшают, чтобы лучше заполнить кратер и предупредить пережог металла.
Различают два основных способа газовой сварки: правый и левый.
При правом способе  (рис. 77а) процесс сварки ведется слева направо. Горелка перемещается впереди присадочного прутка, а пламя направлено на формирующийся шов. Этим обеспечивается хорошая защита сварочной ванны от воздействия атмосферного воздуха и замедленное охлаждение сварного шва. Такой способ позволяет получать швы высокого качества.
При левом способе  (рис. 77б) процесс сварки производится справа налево. Горелка перемещается за присадочным прутком, а пламя направляется на несваренные кромки и подогревает их, подготавливая к сварке.

Рис. 77.  Схема газовой сварки: 
а – правым способом; б – левым способом; 1 – металл; 2 – присадочный пруток; 3 – горелка; 4 – пламя горелки; 5 – готовый шов 

Правый способ применяют при сварке металла толщиной более 5 мм. Пламя горелки при этом способе ограничено с двух сторон кромками изделия, а спереди наплавленным валиком, что значительно уменьшает рассеивание теплоты и повышает степень его использования.
Однако при левом способе внешний вид шва лучшие, так как сварщик отчетливо видит шов, поэтому может получить его равномерную высоту и ширину. Все это особенно важно при сварке тонких листов. Поэтому тонкий металл сваривают левым способом. Кроме того, при левом способе пламя свободно растекается по поверхности металла, что снижает опасность его пережога.
Способ сварки также зависит от пространственного положения шва.
Нижние швы  выполняют как левым, так и правым способом в зависимости от толщины металла.
Вертикальные швы  при толщине металла до 2 мм рекомендуется сваривать правым способом сверху вниз и левым способом снизу вверх. При больших толщинах металла сварку следует выполнять способом двойного валика.
Горизонтальные швы  выполняют правым способом – пламя горелки направляют на заваренный шов, а присадочный пруток вводят сверху в сварочную ванну, расположенную под некоторым углом к оси шва. Эти меры предупреждают вытекание расплавленного металла.
Потолочные швы  легче сваривать правым способом, так как в этом случае газовый поток пламени направлен непосредственно на шов и тем самым препятствует вытеканию металла из сварочной ванны.
В процессе сварки мундштук горелки и присадочный пруток совершают одновременно два движения: одно – вдоль оси свариваемого шва и второе – колебательные движения поперек оси шва. При этом конец присадочного прутка движется в направлении, обратном движению мундштука.
Для получения сварного шва с высокими механическими свойствами необходимо хорошо подготовить свариваемые кромки, правильно подобрать мощность горелки, отрегулировать сварочное пламя, выбрать присадочный материал, установить положение горелки и направление перемещения ее по свариваемому шву.
Подготовка кромок  заключается в очистке их от масла, окалины и других загрязнений, разделке под сварку и прихвате короткими швами. Свариваемые кромки очищают на ширину 20–30 мм с каждой стороны шва. Для этой цели можно использовать пламя сварочной горелки. При нагреве окалина отстает от металла, а краска и масло выгорают. Затем поверхность свариваемых деталей зачищают стальной щеткой до металлического блеска. При необходимости (например, при сварке алюминия) свариваемые кромки травят в кислоте, а затем промывают и сушат.
Разделка кромок  под сварку зависит от типа сварного соединения, который, в свою очередь, зависит от взаимного расположения свариваемых деталей.
Стыковые соединения  являются для газовой сварки наиболее распространенным типом соединений. Металлы толщиной до 2 мм сваривают встык с отбортовкой кромок без присадочного материала или встык без разделки и без зазора, но с присадочным материалом. Металл толщиной 2–5 мм сваривают встык без разделки кромок, но с зазором между ними. При сварке металла толщиной более 5 мм применяют V-образную или Х-образную разделку кромок. Угол скоса выбирают в пределах 70–90°, что обеспечивает хороший провар вершины шва.
Угловые соединения  также часто применяются при сварке металлов малой толщины. Такие соединения сваривают без присадочного металла. Шов выполняется за счет расплавления кромок свариваемых деталей.
Нахлесточные и тавровые соединения  допустимы только при сварке металла толщиной менее 3 мм, так как при больших толщинах металла неравномерный местный нагрев вызывает большие внутренние напряжения и деформации и даже трещины в шве и основном металле. Скос кромок производят ручным или пневматическим зубилом, а также на специальных кромкострогальных или фрезерных станках. Экономичным способом является ручная или механизированная кислородная резка, образующиеся при этом шлаки и окалину удаляют зубилом и металлической щеткой.
Сборка под сварку производится в специальных приспособлениях или на прихватках, обеспечивающих точность положения свариваемых деталей и зазора между кромками в течение всего процесса сварки. Длина прихваток, их число и расстояние между ними зависят от толщины металла, длины и конфигурации свариваемого шва. При сварке тонкого металла и коротких швах длина прихваток составляет 5–7 мм, а расстояние между прихватками около 70–100 мм. При сварке толстого металла и при швах значительной длины прихватки делаются длиной 20–30 мм, а расстояние между ними – 300–500 мм.

Основные параметры режима сварки   выбирают в зависимости от свариваемого металла, его толщины и типа изделия. Определяют оптимальную мощность и вид пламени, марку и диаметр присадочной проволоки, способ и технику сварки. Швы накладывают однослойные и многослойные. При толщине металла до 6–8 мм применяют однослойные швы, до 10 мм – швы выполняют в два слоя, а при толщине металла 10 мм швы сваривают в три слоя и более.
Толщина слоя при многослойной сварке зависит от размеров шва, толщины металла и составляет 3–7 мм.
Перед наложением очередного слоя поверхность предыдущего слоя должна быть хорошо очищена металлической щеткой. Сварку производят поочередно короткими участками. При этом стыки валиков в слоях не должны совпадать. При многослойной сварке зона нагрева меньше, чем при однослойной. В процессе сварки при наплавке очередного слоя происходит отжиг нижележащих слоев. Кроме того, каждый слой можно подвергнуть проковке.
Все эти условия позволяют получить сварной шов высокого качества, что очень важно при сварке ответственных конструкций. Однако следует учесть, что производительность сварки снижается и при этом рекомендуется больше горючего газа.
Низкоуглеродистые стали  сваривают газовой сваркой без особых затруднений. Сварка выполняется нормальным пламенем. Присадочным материалом служит сварочная проволока. Ответственные сварные узлы и конструкции из низкоуглеродистой стали выполняют применением низколегированной проволоки. Наилучшие результаты дают кремне-марганцовистая и марганцовистая проволоки марок Св–08ГА, Св–10Г2, Св–08ГС, Св–08Г2С. Они позволяют получить сварной шов с высокими механическими свойствами.
Среднеуглеродистые стали  свариваются удовлетворительно, однако при сварке возможно образование в сварном шве и зоне термического влияния закалочных структур и трещин. Сварку выполняют слегка науглероживающим пламенем, так как даже при небольшом избытке в пламени кислорода происходит существенное выгорание углерода. Удельная мощность пламени должна быть в пределах 80–100 л/(чмм). Рекомендуется левый способ сварки, чтобы снизить перегрев металла. При толщине металла более 3 мм следует проводить предварительный общий подогрев детали до 250–300 °C или местный нагрев до 650–700 °C.
Присадочным материалом во время сварки служат марки сварочной проволоки, указанные для малоуглеродистой стали, и проволока марки Св–12ГС. При определении мощности пламени следует иметь в виду, что при сварке правым способом удельная мощность должна быть повышена на 20–25 %. Увеличение мощности пламени повышает производительность сварки, однако при этом возрастает опасность пережога металла.
Диаметр присадочной проволоки d (мм) при сварке металла толщиной до 15 мм левым способом определяют по формуле:

d = (s/2)+1  

где s   – толщина свариваемой стали, мм.

При правом способе сварки диаметр проволоки берут равным половине толщины свариваемого металла. При сварке металла толщиной более 15 мм применяют проволоку диаметром 6–8 мм. После сварки можно рекомендовать проковку металла шва в горячем состоянии и затем нормализацию с температуры 800–900 °C. При этом металл приобретает достаточную пластичность и мелкозернистую структуру.

Сущность процесса кислородной резки

Кислородная резка (рис. 78) основана на свойстве металлов и их сплавов сгорать в струе технически чистого кислорода.

Рис. 78.  Газокислородная резка: 
1 – разрезаемый металл; 2 – струя режущего кислорода; 3 – горючая смесь; 4 – режущий мундштук; 5 – мундштук подогревающего пламени; 6 – подогревающее пламя; 7 – рез; 8 – шлаки 

Резке поддаются металлы, удовлетворяющие следующим требованиям:
1. Температура плавления металла должна быть выше температуры воспламенения его в кислороде. Металл, не отвечающий этому требованию, плавится, а не сгорает. Например, низкоуглеродистая сталь имеет температуру плавления около 1500 °C, а воспламеняется в кислороде при температуре 1300–1350 °C. Увеличение содержания углерода в стали сопровождается понижением температуры плавления и повышением температуры воспламенения в кислороде. Поэтому резка стали с увеличением содержания углерода и примесей усложняется.
2. Температура плавления оксидов должна быть ниже температуры плавления самого металла, чтобы образующиеся оксиды легко выдувались и не препятствовали дальнейшему окислению и процессу резки. Например, при резке хромистых сталей образуются оксиды хрома с температурой плавления 2000 °C, а при резке алюминия – оксиды с температурой плавления около 2050 °C. Эти оксиды покрывают поверхность металла и препятствуют дальнейшему процессу резки.
3. Образующиеся при резке шлаки должны быть достаточно текучи и легко выдуваться из разреза. Тугоплавкие и вязкие шлаки будут препятствовать процессу резки.
4. Теплопроводность металла должна быть наименьшей, так как при высокой теплопроводности теплота, сообщаемая металлу, будет интенсивно отводиться от участка резки и подогреть металл до температуры воспламенения будет трудно.
5. Количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла, должно быть возможно большим – она способствует нагреванию прилегающих участков металла и тем самым обеспечивает непрерывность процесса резки. Например, при резке низкоуглеродистой стали около 70 % общего количества теплоты выделяется от сгорания металла в струе кислорода и только 30 % составляет теплота от подогревающего пламени резака.
Различают два вида кислородной резки: разделительную  и поверхностную. 
Разделительная резка  применяется для вырезки различного вида заготовок, раскроя листового металла, разделки кромок под сварку и других работ, связанных с разрезкой металла на части. Сущность процесса заключается в том, что металл вдоль линии разреза нагревают до температуры воспламенения его в кислороде, он сгорает в струе кислорода, а образующиеся оксиды выдуваются этой струей из места разреза.
Поверхностная резка  (рис. 79) применяется для снятия поверхностного слоя металла, разделки каналов, удаления поверхностных дефектов и других работ. Резаки имеют большую длину и увеличенные сечения каналов для газов подогревающего пламени и режущего кислорода.

Рис. 79.  Схема поверхностной резки: 
1 – мундштук; 2 – шлак; 3 – канавка 

Применяют два вида поверхностной резки – строжку  и обточку . При строжке резак совершает возвратно-поступательное движение как строгальный резец. При обточке резак работает как токарный резец. Наклон мундштука резака к поверхности металла в начале реза составляет 70–80°. После начала горения угол наклона плавно уменьшают до 15–20°. Уменьшение угла наклона увеличивает ширину и уменьшает глубину строжки.

Оборудование для кислородной резки

Резаки классифицируют:
• по назначению – универсальные и специальные;
• по принципу смешения газов – инжекторные и безынжекторные;
• по виду резки – для разделительной и поверхностной резки;
• по применению – для ручной и машинной резки.
Широкое применение получили универсальные инжекторные ручные резаки для разделительной резки. Резаки отличаются от сварочных горелок наличием отдельной трубки для подачи режущего кислорода и особым устройством головки, состоящей из двух сменных мундштуков: наружного – для подогревающего пламени и внутреннего – для струи чистого кислорода (рис. 80).

Рис. 80 .
Схема газокислородного резака: 
Р – режущая часть; П – подогревающая часть; 1 – ацетилен; 2 – кислород; 3 – мундштук; 4 – вентиль; 5 – шланг подачи кислорода 

Ацетилен подается по шлангу к ацетиленовому ниппелю. Кислород – к кислородному ниппелю. От ниппеля кислород идет по двум направлениям: одна часть кислорода, как в обычных сварочных горелках, поступает в инжектор и затем в смесительную камеру. Здесь образуется горючая смесь кислорода с ацетиленом, засасываемым через ниппель. Горючая смесь проходит по трубке, выходит через кольцевой зазор между внутренним и наружным мундштуком и создает подогревательное пламя. Другая часть кислорода через трубки Р поступает в центральное отверстие внутреннего мундштука и образует струю режущего кислорода, сжигающую металл и выдувающую образующиеся оксиды из зоны резака.
Широкое применение получил ручной универсальный резак «Факел» , являющийся улучшенной конструкцией резака «Пламя» . Он имеет пять внутренних и два наружных мундштука, позволяющих резать металл толщиной до 300 мм со скоростью 80–560 мм/мин. Для работы на газах—заменителях ацетилена используются резаки типа РЗР. Они отличаются большими размерами сечений инжекторов и мундштуков. Существуют вставные сменные резаки, предназначенные для присоединения к стволам универсальных сварочных горелок: резак РГС-70  – к горелкам типа «Звезда» и ГС-3, резак РГМ-70  – к горелкам типа «Звездочка» и ГС–2. Это создает большие удобства в строительно-монтажных условиях при частых переходах от сварки к резке и наоборот.
Для машинной резки применяют стационарные шарнирные машины АСШ-2  и АСШ-70 . АСШ-70 отличается более совершенным приводом и наличием пантографического устройства, позволяющего производить вырезку одновременно трех деталей. Толщина разрезаемого металла 5–100 мм. Усовершенствованные машины типа АСШ-74 производят резку листовой стали толщиной до 150 мм со скоростью 0,1–1,6 м/мин. Переносные машины представляют собой самоходные тележки, оснащенные резаком и перемещающиеся по разрезаемому металлу. Приводом служит электродвигатель, пружинный механизм или газовая турбина. Например, машина «Микрон–2»  предназначена для механизированной кислородной резки листовой низкоуглеродистой стали толщиной до 100 мм со скоростью до 4 м/мин.

Техника резки

На поверхности разрезаемого металла могут быть грязь, краска, окалина и ржавчина, поэтому она должна быть хорошо очищена. Для удаления окалины, краски и масла достаточно медленно провести пламенем горелки или резака по поверхности металла вдоль намеченной линии разреза. При этом краска и масло выгорают, а окалина отстает от металла. Затем поверхность металла зачищают металлической щеткой.
Процесс резки начинают с нагревания металла. Подогревающее пламя резака направляют на край разрезаемого металла и нагревают до температуры воспламенения его в кислороде, практически составляющей температуру плавления. Затем пускают струю режущего кислорода и перемещают резак вдоль линии разреза.
В процессе резки кислород сжигает верхние нагретые слои металла. Теплота, выделяющаяся при сгорании, нагревает нижележащие слои металла до температуры воспламенения и поддерживает непрерывность процесса резки.
При резке листового материала толщиной до 30 мм мундштук резака устанавливают вначале под углом 5° к поверхности, а затем – под углом 20–30° в сторону, обратную движению резака. Это ускоряет процесс разогрева металла и повышает производительность процесса резки.
Резку металла большой толщины  выполняют следующим образом: мундштук резака вначале устанавливают перпендикулярно поверхности разрезаемого металла – так, чтобы струя подогревающего пламени, а затем и режущего кислорода, располагалась вдоль вертикальной грани разрезаемого металла. После прогрева металла до температуры воспламенения пускают струю режущего кислорода. Перемещение резака вдоль линии резания начинают после того, как в начале этой линии металл будет прорезан на всю его толщину. Чтобы не допустить отставания резки в нижних слоях металла, в конце процесса следует постепенно замедлить скорость перемещения резака и увеличивать наклон мундштука резака до 10–15° в сторону, обратную его движению.
Рекомендуется начинать процесс резки с нижней кромки. Предварительный подогрев до 300–400 °C позволяет производить резку повышенной скоростью. Скорость перемещения резака должна соответствовать скорости горения металла. Если скорость перемещения резака установлена правильно, то поток искр и шлака вылетает из разреза прямо вниз, а кромки получаются чистыми, без натеков и подплавлений. При большой скорости перемещения резака поток искр отстает от него, металл в нижней кромке не успевает сгореть и сквозное прорезание прекращается. При малой скорости сноп искр опережает резак, кромки разреза оплавляются и покрываются натеками.
Давление режущего кислорода устанавливают в зависимости от толщины разрезаемого металла и чистоты кислорода. Чем выше чистота кислорода, тем меньше его давление и расход. Ширина и чистота разреза зависят от способа резки и толщины разрезаемого металла.
Машинная резка дает более чистые кромки и меньшую ширину разреза, чем ручная резка. Чем больше толщина металла, тем больше ширина разреза. Процесс резки вызывает изменение структуры, химического состава и механических свойств металла.
При резке низкоуглеродистой стали  тепловое влияние процесса на ее структуру незначительно. Наряду с участками перлита появляется неравновесная составляющая сорбита, что даже несколько улучшает механические качества металла. Механические свойства низкоуглеродистой стали при резке почти не изменяются.
В процессе резки стали, имеющей повышенное содержание углерода и легирующие примеси , кроме сорбита образуются троостит и даже мартенсит. При этом сильно повышаются твердость и хрупкость стали и ухудшается обрабатываемость кромок разреза. Возможно образование холодных трещин.
Изменение химического состава стали проявляется в образовании обезуглероженного слоя металла непосредственно на поверхности резания. Это происходит в результате выгорания углерода под воздействием струи режущего кислорода. Несколько глубже находится участок с большим содержанием углерода, чем у исходного металла. Затем, по мере удаления от разреза, содержание углерода уменьшается до исходного. Также происходит выгорание легирующих элементов стали. Стали с повышенным содержанием углерода, марганца, хрома и молибдена закаливаются, становятся более твердыми и дают трещины в зоне резания.
Нержавеющие хромистые и хромоникелевые стали, чугун, цветные металлы и их сплавы  не поддаются обычной кислородной резке, так как не удовлетворяют указанным выше условиям. Для этих металлов применяют кислородно-флюсовую резку, сущность которой заключается в следующем. В зону резания с помощью специальной аппаратуры непрерывно подается порошкообразный флюс, при сгорании которого выделяется дополнительная теплота и повышается температура места разреза. Кроме того, продукты сгорания флюса реагируют с тугоплавкими оксидами и дают жидкотекучие шлаки, легко вытекающие из места разреза. В качестве флюса используется мелкогранулированный железный порошок марки ПЖ–5М.
При резке хромистых и хромоникелевых сталей во флюс добавляют 25–50 % окалины; при резке чугуна добавляют около 35 % доменного феррофосфора; при резке меди и ее сплавов применяют флюс, состоящий из смеси железного и алюминиевого порошка (15–20 %) с феррофосфором (10–15 %).
Резку производят установкой типа УРХС–5, состоящей из флюсопитателя и резака. Установка используется для ручной и машинной кислородно-флюсовой резки высоколегированных хромистых и хромоникелевых марок сталей толщиной до 200 мм при скорости резания 230–760 мм/мин. На 1 м разреза расходуется кислорода 0,20–2,75 м3, ацетилена – 0,017–0,130 м3 и флюса – 0,2–1,3 кг.
При кислородно-флюсовой резке некоторая часть теплоты подогревающего пламени уходит на нагревание флюса. Поэтому мощность пламени берется на 15–25 % выше, чем при обычной резке. Пламя должно быть нормальным или с некоторым избытком ацетилена. Расстояние от торца мундштука резака до поверхности разрезаемого металла устанавливается в пределах 15–20 мм. При малом расстоянии частицы флюса отражаются от поверхности металла и, попадая в сопло резака, вызывают хлопки и обратные удары. Кроме того, наблюдается перегрев мундштука, приводящий к нарушению процесса резки. Угол наклона мундштука резака должен быть в пределах 0–10° в сторону, обратную направлению резки. Хорошие результаты дает предварительный подогрев.
Хромистые и хромоникелевые стали требуют подогрева до 300–400 °C, а сплавы меди – до 200–350 °C. Скорость резки зависит от свойств металла и его толщины. Чугун толщиной 50 мм режут со скоростью 70–100 мм/мин. При этом на 1 м разреза расходуется 2–4 м3 кислорода, 0,16–0,25 м3 ацетилена и 3,5–6 кг флюса.
Примерно такие же данные получают при резке сплавов меди. При резке хромистых и хромоникелевых сталей расход всех материалов снижается почти в 3 раза.
Резку кислородным копьем (рис. 81) выполняют тонкостенной стальной трубкой с наружным диаметром 20–35 мм. Трубку присоединяют к рукоятке с вентилем для кислорода и по ней подают кислород к месту реза. До начала резки конец трубки нагревают газовой горелкой или электрической дугой до температуры воспламенения. Кислородное копье горящим концом с усилием прижимают к изделию (металл, бетон, железобетон) и прожигают отверстие. Образуемые шлаки давлением кислорода выносятся наружу, в зазор между копьем и стенкой прожигаемого отверстия.

Рис. 81. 
Схема прожигания отверстия в бетоне кислородным копьем: 
1 – держатель копья; 2 – копье; 3 – защитный экран; 4 – бетон 

Глава 12
Технология проведения сварки под флюсом и оборудование для нее

Сущность сварки под флюсом

Сваркой под флюсом называется дуговая сварка, при которой дуга горит под слоем сварочного флюса, обеспечивающего защиту сварочной ванны от контакта с воздухом. 
Особенностью процесса дуговой сварки под флюсом является применение непокрытой сварочной проволоки и гранулированного (зернистого) флюса. Сварку ведут закрытой дугой, горящей под слоем флюса в пространстве газового пузыря, образующегося в результате выделения паров и газов в зоне дуги. Сверху сварочная зона ограничена пленкой расплавленного шлака, снизу – сварочной ванной. Среда в сварочной зоне является наиболее благоприятной с точки зрения защиты металла от взаимодействия с воздухом. По мере сварки давление газов и паров в пузыре возрастает. Наступает момент, когда пленка расплавленного шлака прорывается и избыток газов удаляется в окружающую атмосферу. Такой процесс удаления газов периодически повторяется.
Сварка под флюсом является одним из основных способов выполнения сварочных работ в промышленности и строительстве. Она существенно изменила технологию изготовления сварных изделий. По степени механизации процесса различают автоматическую  и механизированную сварку под флюсом . Для получения качественных сварных швов взамен электродных покрытий применяют гранулированное вещество, называемое флюсом.

Автоматическая сварка под флюсом   производится при помощи автоматической установки (сварочная головка или сварочный трактор). Эта установка подает электродную проволоку и флюс в зону сварки, перемещает дугу вдоль свариваемого шва и поддерживает ее горение.
Принципиальная схема автоматической сварки под флюсом выглядит следующим образом (рис. 82):
• электродная проволока подается в зону сварки;
• кромки свариваемого изделия в зоне сварки покрываются слоем флюса, подаваемого из бункера;
• толщина слоя флюса составляет 30–50 мм;
• сварочный ток подводится от источника тока к электроду через токоподводящий мундштук, находящийся на небольшом расстоянии от конца электродной проволоки, благодаря чему при автоматической сварке можно применять большие сварочные токи;
• дуга возбуждается между свариваемым изделием и электродной проволокой.

Рис. 82.  Плавильное пространство при сварке под флюсом: 
1 – основной металл; 2 – электродная проволока; 3 – передняя часть сварочной ванны; 4 – хвостовая часть сварочной ванны (жидкий металл); 5 – флюс; 6 – закристаллизировавшийся сварочный шов; 7 – границы кристалилизационных слоев; h – вылет электрода 

При горении дуги образуется ванна расплавленного металла, закрытая сверху расплавленным шлаком и оставшимся нерасплавленным флюсом. Нерасплавившийся флюс отсасывается шлангом обратно в бункер. Пары и газы, образующиеся в зоне дуги, создают вокруг нее замкнутую газовую полость. Некоторое избыточное давление, возникающее при термическом расширении газов, оттесняет жидкий металл в сторону, противоположную направлению сварки.
У основания дуги (в кратере) сохраняется лишь тонкий слой металла. В таких условиях обеспечивается глубокий провар основного металла. Так как дуга горит в газовой полости, закрытой расплавленным шлаком, то значительно уменьшаются потери теплоты и металла на угар и разбрызгивание. По мере перемещения дуги вдоль разделки шва наплавленный металл остывает и образует сварной шов. Жидкий шлак, имея более низкую температуру плавления, чем металл, затвердевает несколько позже, замедляя охлаждение металла шва.
Продолжительное пребывание металла шва в расплавленном состоянии и медленное остывание способствуют выходу на поверхность всех неметаллических включений и газов, получению чистого, плотного и однородного по химическому составу металла шва.
Автоматическую сварку под флюсом отличают следующие преимущества:  
1. Высокая производительность, превышающая ручную сварку в 5–10 раз. Она обеспечивается применением больших токов, более концентрированным и полным использованием теплоты в закрытой зоне дуги, снижением трудоемкости за счет автоматизации процесса сварки.
2. Высокое качество сварного шва вследствие защиты металла сварочной ванны расплавленным шлаком от кислорода и азота воздуха, легирования металла шва, увеличения плотности металла при медленном охлаждении под слоем застывшего шлака.
3. Экономия электродного металла при значительном снижении потерь на угар, разбрызгивание металла и огарки. При ручной сварке эти потери достигают 20–30 %, в то время как при автоматической сварке под флюсом они не превышают 2–5 %.
4. Экономия электроэнергии за счет более полного использования теплоты дуги по сравнению с ручной сваркой. Затраты электроэнергии при автоматической сварке уменьшаются на 30–40 %. Кроме того, при автоматической сварке условия труда значительно лучше, чем при ручной сварке: дуга закрыта слоем шлака и флюса, выделение вредных газов и пыли значительно снижено, поэтому нет необходимости в защите зрения и лица сварщика от воздействия излучений дуги, а для вытяжки газов достаточно естественной вытяжной вентиляции.
Но автоматическая сварка имеет и свои недостатки. Это, прежде всего, ограниченная маневренность сварочных автоматов и производство сварки главным образом в нижнем положении.

Сварочные флюсы

Сварочным флюсом называют неметаллический материал, расплав которого необходим для сварки и улучшения качества шва. 
Взаимодействуя в процессе сварки с жидким металлом, расплавленный флюс в значительной степени определяет химический состав металла, а следовательно, и его механические свойства. По способу изготовления флюсы делятся на плавленые  и неплавленые. 
Плавленые флюсы   являются основными при автоматической сварке металла. Флюсы типов АН–348–А, АН–348–АМ, АН–348–В, АН–348–ВМ, ОСЦ–45, ОСЦ–45М, АН–60 и ФЦ–9 предназначены для механической сварки и наплавки углеродистых и низколегированных сталей углеродистой и низколегированной сварочной проволокой.
• Флюс марки АН–8 применяют при электрошлаковой сварке углеродистых и низколегированных сталей и сварке низколегированных сталей углеродистой и низколегированной сварочной проволокой.
• Флюсы марок АН–15М, АН–18, АН–2 °C, АН–2 °CМ и АН–20П служат для дуговой автоматической сварки и наплавки высоколегированных и среднелегированных сталей.
• Флюс марки АН–22 предназначен для электрошлаковой сварки и дуговой автоматической наплавки и сварки низко– и среднелегированных сталей.
• Флюсы АН–26С, АН–26СП и АН–26П применяют при автоматической и полуавтоматической сварке нержавеющих, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей.
• Флюсы марок АН – 17М, АН–43 и АН–47 предназначены для дуговой сварки и наплавки углеродистых, низко– и среднелегированных сталей повышенной и высокой прочности.
Нормальные флюсы  содержат зерна размером 0,35–3 мм. Флюсы мелкой грануляции состоят из зерен размером 0,25–1,0 мм и в обозначении марки имеют конечную букву М.
Плавленые флюсы  получают сплавлением его составляющих компонентов:
1. Изготовление флюса включает следующие процессы: размалывание до необходимых размеров сырьевых материалов (марганцевая руда, кварцевой песок, мел, плавиковый шпат, глинозем и др.
2. Перемешивание их в определенных массовых соотношениях; плавка в газопламенных или электродуговых печах.
3. Грануляция с целью получения флюса определенных размеров зерен.
Грануляцию производят выпуском расплава флюса в воду, где он остывает и растрескивается на мелкие частицы. Затем флюс сушат в барабанах или сушильных шкафах и просеивают через сито на фракции. В состав этих флюсов в качестве основных компонентов входят марганец в виде оксида марганца и кремний в виде кремнезема.
Марганец , обладая большим сродством к кислороду, восстанавливает содержащиеся в наплавляемом металле оксиды железа. Кроме того, образуя сульфид MnS, марганец способствует удалению серы в шлак. При сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей высокомарганцовистые флюсы легируют металл шва.
Кремний  способствует снижению пористости металла шва, так как подавляет процесс образования оксида углерода, который является одной из основных причин образования пор в наплавленном металле. Кремний также является хорошим раскислителем, но как легирующий элемент при сварке под флюсом имеет ограниченное применение.
Неплавленые флюсы   представляют собой механическую смесь составляющих его материалов (кремнезем, марганцевая руда, плавиковый шпат, ферросплавы и др.). Их дробят, измельчают, дозируют и полученную смесь тщательно усредняют. Затем замешивают в строго определенных соотношениях с водным раствором жидкого стекла и, пропустив через гранулятор, получают шарообразные гранулы. Сырые гранулы поступают на сушку и прокалку.
Отсутствие плавки позволяет вводить в состав флюсов различные ферросплавы, металлические порошки, оксиды элементов и другие материалы. Эти вещества, участвуя в металлургических процессах сварки, значительно облегчают широкое легирование и раскисление наплавленного металла, улучшают структуру и снижают вредные примеси в металле шва. При этом используется более простая сварочная проволока из обычной низкоуглеродистой стали. Недостатком неплавленых флюсов является их большая гигроскопичность, требующая герметичности упаковки и более точного соблюдения режима сварки, так как он оказывает влияние на процесс легирования наплавленного металла.
Используются флюсы марок АНК–35 (для сварки низкоуглеродистых сталей низкоуглеродистой проволокой Св–08 и Св–08А), АНК–46 (для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей), АНК–47 и АНК–30 (для сварки швов высокой хладостойкости), АНК–45 (для сварки высоколегированных сталей), АНК–40, АНК–18, АНК–19 (для наплавочных работ низкоуглеродистой сварочной проволокой Св–08 и Св–08А).
При применении наплавочных проволок эти флюсы дают слои наплавленного металла более высокой твердости. Флюс марки АНК–3, применяемый как добавка к флюсам марок АН–348А, ОСЦ–45, АН–60, повышает стойкость швов против образования пор.
Важным преимуществом неплавленых керамических флюсов  является их относительно малая чувствительность к ржавчине, окалине и влаге на поверхности свариваемых кромок деталей по сравнению с плавлеными флюсами. Это особенно важно при строительно-монтажных работах.
Плавленые флюсы при сварке дают относительно небольшое количество легирующих примесей (только за счет восстановления из оксидов кремния и марганца). При этом появляются оксиды, способствующие образованию неметаллических включений, ухудшающих механические свойства металла. Поэтому для соответствующего легирования металла шва приходится применять дорогую легированную проволоку. Однако высокие технологические свойства плавленых флюсов (хорошая защита зоны сварки, хорошее формирование валиков, отделимость шлака и др.) и меньшая стоимость обеспечивают широкое применение их в сварочном производстве. При необходимости получения сварных швов высокого качества по ударной вязкости при низкой температуре, швов, стойких против образования пор и трещин, и некоторых других специальных швов керамические флюсы незаменимы.
К неплавленым флюсам также относятся магнитные флюсы . По технологии изготовления и применению они аналогичны керамическим флюсам. Кроме веществ, входящих в состав керамических флюсов, магнитный флюс содержит железный порошок, который не только придает ему магнитные свойства, но и способствует повышению производительности сварки.
Флюс подается через сопло дозирующим устройством автомата (или полуавтомата). Под действием магнитного поля сварочного тока флюс притягивается к зоне сварки. При этом обеспечиваются минимальный расход флюса и возможность качественной сварки вертикальных швов.

Оборудование для автоматической сварки

В процессе сварки применяются два вида автоматического оборудования: подвесные (неподвижные и самоходные) головки и сварочные тракторы (таб. 23). Они производят следующие операции: возбуждение дуги, непрерывную подачу в зону дуги электродной проволоки флюса в процессе сварки, перемещение сварочной дуги вдоль свариваемого шва, гашение дуги в конце сварки.
Важным условием, обеспечивающим нормальный устойчивый процесс автоматической сварки, является равенство скорости подачи электродной проволоки и скорости ее плавления. Это условие в процессе сварки может нарушаться различными факторами: изменениями напряжения в сети, нечеткой работой подающего механизма, неровностями поверхностей свариваемых кромок, при которых изменяется дуговой промежуток, и др. Чтобы процесс сварки протекал устойчиво, а длина дуги сохранялась постоянной, применяют автоматы, сконструированные по двум основным принципам: автоматы с переменной скоростью подачи электронной проволоки , зависящей от изменения дугового промежутка, и автоматы с постоянной скоростью подачи электронной проволоки . Автоматы с переменной скоростью подачи электродной проволоки имеют относительно сложную электрическую схему и поэтому получили ограниченное применение (при низких напряжениях и малых сварочных токах). Более широкое применение получили автоматы с постоянной скоростью подачи электродной проволоки.
Электродвигатель, обеспечивающий через редуктор и подающие ролики подачу электродной проволоки, питается непосредственно от сети. Поэтому скорость вращения электродвигателя будет постоянна, независимо от длины (следовательно, и напряжения) дуги. Саморегулирование осуществляется так.
Если в процессе сварки длина дуги уменьшится (например, из-за неровностей на поверхности свариваемых кромок), то напряжение на дуге понизится. Так как внешняя характеристика источника питания дуги падающая, то уменьшение напряжения приведет к возрастанию сварочного тока и тем самым к увеличению скорости плавления электродной проволоки (скорость плавления проволоки почти пропорциональна сварочному току). Повышение скорости плавления проволоки при постоянной скорости ее подачи приведет к удлинению дуги, то есть к восстановлению установленного режима сварки. Если же длина дуги увеличится, то напряжение возрастет, и в соответствии с внешней характеристикой источника тока сварочный ток понизится. Следовательно, скорость плавления электродной проволоки уменьшится, что при постоянной скорости ее подачи приведет к сокращению дугового промежутка.

Таблица 23 
Технические характеристики сварочных тракторов 

Процесс саморегулирования осуществляется нормально при питании дуги постоянным током. При переменном токе для устойчивой работы автомата колебания напряжения в сети не должны превышать 6–8 %.
Автоматические головки АБС состоят из трех узлов (рис. 83). Первый узел  – сварочная головка – включает электродвигатель, механизм подачи проволоки с правильным механизмом, токоподводящий мундштук, корректировочный механизм для направления головки по шву и трехкнопочный пульт управления. Набор сменных шестерен механизма подачи позволяет изменять скорость подачи электродной проволоки в пределах от 28,5 до 225 м/ч.

Рис. 83.  Сварочный аппарат типа АБС: 
I узел: 1 – мундштук; 2 – правильное устройство; 3 – подающий механизм; 4 – пульт управления; II узел: 5 – катушка; 6 – флюсоаппарат; III узел – самоходная тележка 

Второй узел  – подвесной механизм – состоит из подъемного механизма для подвески и вертикального подъема сварочной головки, флюсоаппарата для подачи флюса в зону дуги и отсасывания неиспользованного флюса обратно в бункер и кассеты с электродной проволокой.
Третий узел  представляет собой самоходную тележку, состоящую из электродвигателя, от которого движение через фрикционное устройство, червячные передачи и одну сменную пару шестерен передается ведущим бегунам тележки. Сменные шестерни позволяют изменять скорость перемещения тележки, то есть скорость сварки, в пределах 13,5–112 м/ч.
Головка АБС предназначена для сварки стыковых, угловых и нахлесточных швов. При этом узлы, входящие в головку АБС, позволяют использовать ее как подвесную неподвижную и как самоходную.
Сварочный трактор является более эффективным и маневренным сварочным аппаратом. Он представляет собой автоматическую головку, установленную на самоходной тележке, которая перемещается с помощью электродвигателя по свариваемому изделию или по направляющему рельсовому пути вдоль свариваемого шва. Трактор ТС–17М (рис. 84) применяется при изготовлении и монтаже различных строительных конструкций (ферм, мачт, балок), при сварке под флюсом наружных и внутренних кольцевых швов, при сварке труб и резервуаров диаметром более 800 мм (тракторы других марок незначительно отличаются от ТС–17М – рис. 85). Им можно производить сварку всех видов швов в нижнем положении.

Рис. 84.  Сварочный трактор ТС–17М: 
1 – направляющие колеса; 2 – электродвигатель для подачи электродной проволоки и передвижения трактора; 3 – ведущие колеса; 4 – пульт с кнопками управления; 5 – кассета с электродной проволокой; 6 – электроизмерительные приборы; 7 – электродная проволока; 8 – бункер для флюса; 9 – механизм подачи проволоки; 10 – мундштук 

Рис. 85.  Сварочный трактор АДС–100–2: 
1 – самоходная каретка; 2 – электродвигатель; 3 – пульт управления с кассетой для проволоки; 4 – электродная проволока; 5 – электродвигатель механизма подачи проволоки; 6 – бункер для флюса; 7 – механизм подачи проволоки 

Трактор имеет один электродвигатель трехфазного тока , который приводит в движение механизм подачи электродной проволки  и механизм передвижения трактора  вдоль свариваемого шва. Подающий механизм состоит из понижающего редуктора  и двух роликов  (ведущего и прижимного), между которыми протаскивается электродная проволока. Механизм передвижения трактора состоит из редуктора  и двух ведущих бегунов,  вал которых соединен с редуктором фрикционной муфтой . Наличие сменных шестерен позволяет в широких пределах изменять скорость подачи электродной проволоки и скорость передвижения трактора в соответствии с режимом сварки. В комплекте трактора имеется два токопроводящих мундштука . Для электродной проволоки диаметром 1,6–2,0 мм применяют трубчатый мундштук с бронзовым наконечником, смещенным к оси трубки, который обеспечивает хороший электрический контакт с электродной проволокой. Для электродной проволоки большего диаметра применяют мундштук с двумя бронзовыми контактами, между которыми перемещается проволока. Правка электродной проволоки осуществляется специальным правильным механизмом .
Трактор снабжен двумя бункерами для флюса: один бункер применяют при сварке вертикальным электродом, а второй – при сварке наклонным электродом. Толщина насыпаемого слоя флюса устанавливается вертикальным перемещением патрубка, по которому подается флюс в разделку кромок. Если сваривают стыковой шов без разделки кромок, то трактор направляется вручную.
Если сваривают шов с разделкой кромок, то на одну из штанг подвески устанавливают копир, состоящий из двух последовательно расположенных роликов, которые при сварке катятся по разделке кромок и тем самым направляют трактор вдоль свариваемого шва.
При сварке угловых швов «в лодочку» копировальным элементом служит ролик, закрепленный на специальной штанге и катящийся по углу свариваемого шва.
Трактор имеет трехкнопочный пульт управления. Кроме того, есть дополнительный пульт управления, используемый при сварке кольцевых швов на цилиндрических изделиях (котлы, цистерны, резервуары), для управления электродвигателем стенда. На стенде вращается свариваемое изделие (рис. 86).

Рис. 86 . Стенд сварки швов (а) и флюсоременная подушка (б) 

Рассмотрим и шланговый полуавтомат (рис. 87).

Рис. 87.  Схема поста полуавтоматической сварки под флюсом: 
1 – кассета подающего механизма; 2 – гибкий шланг для подачи электродной проволоки и электрического тока; 3 – ролики подающего механизма; 4 – держатель; 5 – подающий механизм; 6 – аппаратный ящик с электрооборудованием полуавтомата; 7 – сварочный трансформатор 

Он сочетает универсальность и маневренность ручной сварки с преимуществами автоматической сварки под флюсом. Полуавтоматическая установка производит только подачу электродной проволоки в зону дуги, а перемещение дуги вдоль свариваемого шва осуществляет сварщик с помощью специального электрододержателя. Сварка производится при повышенных плотностях тока до 200 А/мм2, что позволяет применять электродную проволоку диаметром 1,2–2,5 мм. Высокие плотности тока повышают температурный режим сварки, коэффициент плавления и глубину провара шва. Вследствие этого допускается некоторое уменьшение разделки кромок, уменьшается необходимый расход электродной проволоки на единицу длины разделки кромок. При этом не только повышается производительность процесса сварки, но и значительно сокращается расход электроэнергии.
В сварочном производстве получили большое распространение шланговые полуавтоматы типов ПШ–5, ПШ–54.
Шланговый полуавтомат типа ПШ–54   состоит из источника тока, шкафа управления, кассеты с электродной проволокой, механизма подачи проволоки, гибкого шланга, который заканчивается держателем. Бухта электродной проволоки заправляется в кассету после тщательной очистки от грязи, масла и ржавчины. Подача электродной проволоки осуществляется с помощью электродвигателя трехфазного тока мощностью 100 Вт, который через редуктор вращает ведущий ролик механизма подачи. Между ведущим и поджимным роликами протаскивается электродная проволока. Переключением шестерен коробки скоростей можно изменять скорость подачи электродной проволоки в пределах 78–600 м/ч. Шланговый провод длиной 3,5 м и диаметром 27 мм служит для подачи электродной проволоки по центральному каналу в зону дуги. В шланг вмонтированы провод для подвода сварочного тока и провода управления пуском и выключением электродвигателя механизма подачи, включением и выключением сварочного тока. Держатель представляет собой трубчатый мундштук с ручкой и специальной воронкой для флюса. Воронка вмещает 1,5 кг флюса и снабжена пластинчатой заслонкой. Шкаф управления содержит контрольные приборы (амперметр и вольтметр) и устройства для включения и выключения системы управления.
Включение электродвигателя для подачи электродной проволоки и тока сварочной цепи у полуавтомата типа ПШ–54 производится замыканием сварочной проволоки на изделие, а прекращение процесса сварки достигается удалением держателя от поверхности свариваемого изделия, т. е. обрывом сварочной дуги. В полуавтоматах типа ПШ–5 включение и выключение электродвигателя механизма подачи электродной проволоки и тока сварочной цепи производят пусковой кнопкой на рукоятке.
Шланговый полуавтомат типа ПДШ–500  имеет по сравнению с полуавтоматами ПШ–5 две существенные особенности. Полуавтомат работает по принципу зависимости скорости подачи электродной проволоки от напряжения дуги, и поэтому электрическая схема саморегулирования режима сварки сходна со схемой автоматической головки АДС–1000.
Второй особенностью является принудительная подача флюса сжатым воздухом по шлангу через держатель в зону сварки. Подающий механизм, смонтированный на подвижной тележке, работает от электродвигателя постоянного тока через понижающий редуктор. Ведущий и нажимной ролики подают электродную проволоку из кассеты по шлангу в зону сварки.
Скорость подачи электродной проволоки устанавливают реостатом, включенным в цепь обмотки электродвигателя. На тележке укреплен бункер с устройством для пневматической подачи флюса в зону сварки. Воздух используется от заводской воздушной сети или от компрессора. На специальной панели тележки установлены измерительные приборы и устройства управления.
Полуавтомат типа А–1197  служит для сварки под флюсом и в среде углекислого газа как сплошной, так и порошковой проволокой. Полуавтомат имеет модификации: А–1197С – подающий механизм с асинхронным электродвигателем, а регулирование скорости подачи осуществляется сменными зубчатыми шестернями; А–1197П – подающий механизм с электродвигателем постоянного тока, обеспечивающий плавное регулирование скорости подачи электродной проволоки. Номинальный сварочный ток – 500 А. Диаметр электродной проволоки 1,6–3,5 мм. Скорость подачи электродной проволоки 90–900 м/ч. Шланговые автоматы отличаются от полуавтоматов тем, что вместо держателя для ручного перемещения сварочной дуги применяется самоходная сварочная головка легкого типа с электродвигателем и устройством для перемещения ее по свариваемому изделию вдоль шва.

Таблица 24 
Техническая характеристика шланговых полуавтоматов 

Шланговый автомат типа АДШ–500  имеет два типа самоходных головок: ГСА–1–2 и ГСА–2–2. Головка типа ГСА–1–2 предназначена для приварки к горизонтальной плоскости различных полос, ребер или других профильных элементов высотой 50–160 мм. Головку типа ГСА–2–2 применяют для тех же работ, но при высоте привариваемых элементов более 160 мм. Она прижимается к свариваемому изделию электромагнитами, полюсами которых служат катки тележки. Сварочный ток устанавливается в пределах 150–600 А. Для включения и выключения сварочного тока автомат оборудован дистанционным кнопочным устройством.
Автомат позволяет производить сварку со скоростью 10–65 м/ч. Флюс подается в зону сварки пневматически. Контрольные приборы – амперметр и вольтметр, а также маховичок потенциометра для плавного регулирования скорости сварки – смонтированы на корпусе механизма подачи электродной проволоки. Вес самоходной головки составляет 10–12 кг.
Разработан способ шланговой многоэлектродной сварки . Он предусматривает подачу в зону дуги с одинаковой скоростью одновременно трех электродных проволок диаметром 1,6–2,0 мм. Это позволяет применять сварочные токи до 800–1000 А и тем самым значительно повышать производительность сварки. Важным преимуществом этого способа является также возможность легирования металла свариваемого шва. Для этой цели применяется легированная сварочная проволока.
Установки и приспособления, служащие для механизации вспомогательных работ, могут быть разбиты на две основные группы: универсальные и специализированные.
Универсальные установки и приспособления применяют при разнообразных сварочных работах. К ним относятся устройства и приспособления общего назначения : стенды и кантователи различной конструкции, струбцины, винтовые стяжки, правильные скобы, хомуты, домкраты и др. Специализированные установки и приспособления  разрабатывают и применяют при серийном и массовом производствах. Они представляют собой стенды и установки с неподвижными и подвижными фиксаторами, имеющими зажимные устройства с механическим, пневматическим, гидравлическим или электрическим приводами. Такие устройства позволяют быстро и с достаточной точностью фиксировать взаимное расположение элементов свариваемой конструкции, значительно сокращая объем работ по разметке и проверке сборки свариваемого изделия.

Технология сварки под флюсом

При сварке под флюсом подготовку кромок и сборку изделия производят более точно, нежели при ручной сварке. Настроенный под определенный режим автомат точно выполняет установленный процесс сварки и не может учесть и выправить отклонения в разделке кромок и в сборке изделия. Разделку кромок производят машинной кислородной или плазменно-дуговой резкой, а также на металлорежущих станках. Свариваемые кромки перед сборкой должны быть тщательно очищены от ржавчины, грязи, масла, влаги и шлаков. Это особенно важно при больших скоростях сварки, когда загрязнения, попадая в зону дуги, приводят к образованию пор, раковин и неметаллических включений.
Очистку кромок производят пескоструйной обработкой или протравливанием и пассивированием. Очистке подвергается поверхность кромок шириной 50–60 мм по обе стороны от шва. Перед сваркой детали закрепляют на стендах или иных устройствах с помощью различных приспособлений или прихватывают ручной сваркой электродами с качественным покрытием. Прихватки длиной 50–70 мм располагают на расстоянии не более 400 мм друг от друга, а крайние прихватки – на расстоянии не менее 200 мм от края шва. Прихватки должны быть тщательно очищены от шлака и брызг металла. При сварке продольных швов для ввода электрода в шов и вывода его из шва за пределы изделия по окончании сварки к кромкам приваривают вводные и выводные планки. Форма разделки планок должна соответствовать разделке кромок основного шва.
Сварочный ток, напряжение дуги, диаметр, угол наклона и скорость подачи электродной проволоки, скорость сварки и основные размеры разделки кромок выбирают в зависимости от толщины свариваемых кромок, формы разделки и свариваемого металла.
Стыковые швы выполняют с разделкой и без разделки кромок. При этом шов может быть одно– и двусторонним, а также одно– и многослойным (рис. 88).

Рис. 88.  Схемы устройств для удержания сварочной ванны и шлака при сварке под флюсом: 
а – остающаяся подкладка; б – временная подкладка; в – гибкая лента; г – ручная подварка; д – медно-флюсовая подкладка; е – флюсовая подушка; ж – заделка зазора огнестойким материалом; з – асбестовая подкладка; а, б, в, д, е – односторонний шов; г, ж, з – двусторонний шов 

Стыковая сварка односторонняя   применяется при малоответственных сварных швах или в случаях, когда конструкция изделия не позволяет производить двустороннюю сварку шва. Значительный объем расплавленного металла, большая глубина проплавления и некоторый перегрев ванны могут привести к вытеканию металла в зазоры и нарушению процесса формирования шва. Чтобы избежать этого, следует закрыть обратную сторону шва стальной или медной подкладкой, флюсовой подушкой или проварить шов с обратной стороны.
На практике применяют четыре основных приема выполнения односторонней сварки стыковых швов, обеспечивающих получение качественного сварного шва.
Сварка на флюсовой подушке  заключается в том, что под свариваемые кромки изделия подводят слой флюса толщиной 30–70 мм. Флюсовая подушка прижимается к свариваемым кромкам под действием собственной массы изделия или с помощью резинового шланга, наполненного воздухом. Давление воздуха в зависимости от толщины свариваемых кромок изделия для тонких кромок составляет 0,05–0,06 МПа и 0,2–0,25 МПа – для толстых кромок. Флюсовая подушка не допускает подтекания расплавленного металла и способствует хорошему формированию металла шва.
Для большего теплоотвода в целях предупреждения пережога металла кромок применяется сварка на медной подкладке . Вместе с тем подкладка, установленная с нижней стороны шва, предупреждает протекание жидкого металла сварочной ванны. Подкладка прижимается к шву с помощью механических или пневматических приспособлений. После сварки подкладка легко отделяется от стальных листов. При зазоре между свариваемыми кромками более 1–2 мм медную подкладку делают с желобком, куда насыпают флюс. В этом случае на обратной стороне шва образуется сварной валик. Ширина медной подкладки составляет 40–60 мм, а толщину подкладки (5–30 мм) выбирают в зависимости от толщины свариваемых кромок. Разработан метод сварки, при котором по обратной стороне шва перемещается медный башмак, охлаждаемый водой . При этом свариваемые листы собираются с зазором в 2–3 мм и через каждые 1,2–1,5 м скрепляются сборочными планками путем прихватки короткими сварными швами.

Таблица 25 
Выполнение сварных соединений (размеры в мм) 

В тех случаях, когда конструкция изделия допускает приварку подкладки, с обратной стороны шва производится сварка на стальной подкладке . Стальную подкладку плотно подгоняют к плоскости свариваемых кромок и прикрепляют короткими швами ручной дуговой сваркой. Затем автоматической сваркой выполняют основной шов, проваривая одновременно основной металл и металл подкладки. Размеры подкладки зависят от толщины свариваемых кромок. Обычно подкладку изготовляют из стальной полосы шириной 20–60 мм и толщиной 4–6 мм.
Сварка после предварительного наложения подваренного шва вручную применяется для упрощения процесса сборки изделия.
Стыковая сварка двусторонняя   дает более высококачественный шов, обеспечивая хороший провар шва даже при некотором смещении свариваемых кромок. При изготовлении строительно-монтажных конструкций двусторонний способ является основным.
Стыковое соединение сваривают автоматом сначала с одной стороны так, чтобы глубина проплавления составляла 60–70 % толщины металла шва. Зазор между кромками должен быть минимальным, не более 1 мм. Сварку выполняют на весу, без подкладок и уплотнений с обратной стороны стыка.
При невозможности выдержать зазор между кромками менее 1 мм принимают меры по предупреждению подтекания жидкого металла, так же как это делают при односторонней сварке, т. е. производят сварку на флюсовой подушке, медной подкладке, на стальной подкладке  или применяют прихватку ручной дуговой сварко й. Тавровые и нахлесточные соединения сваривают вертикальным электродом при положении шва «в лодочку» или наклонным электродом, если один из листов занимает горизонтальное положение (рис. 89).

Рис. 89.  Схема полуавтоматической сварки под флюсом: 
а – стыковых швов; б – в положении «в лодочку»; в – тавровых швов; г – нахлесточных швов 

В зависимости от толщины свариваемых кромок и назначения соединения сварка может быть выполнена без разделки кромок, с одно– или двусторонней разделкой кромок. При зазоре между кромками менее 1 мм сварку «в лодочку» выполняют на весу. При больших зазорах сварку производят на флюсовой подушке или на подкладках. Допускается заделка зазора асбестовым уплотнением или подварка шва с обратной стороны.
Сварка «в лодочку» обеспечивает равномерное проплавление свариваемых кромок и получение качественного шва большого сечения за один проход. В большинстве случаев для выполнения сварного соединения изделие устанавливают на кантователь. Сварку тавровых и нахлесточных соединений при горизонтальной или вертикальной полке производят наклонным электродом с углом наклона к горизонтальной полке 20–30°.
В качестве недостатка такого способа сварки можно назвать невозможность получить шов с катетом более 16 мм, что иногда приводит к необходимости многослойной сварки. При полуавтоматической сварке перемещение дуги вдоль свариваемого шва производится сварщиком либо на себя, либо справа налево. Держатель опирают на кромки свариваемого изделия и тем самым поддерживают постоянство вылета электродной проволоки в пределах 15–25 мм. Благодаря повышенной плотности тока и более сосредоточенному вводу теплоты глубина провара при шланговой сварке возрастает на 30–40 % Устойчивость горения дуги также значительно повышается, что позволяет производить сварку металла малых толщин (0,8–1,0 мм) и сварку швов с катетом до 2 мм при сварочных токах 80–100 А.

Таблица 26 
Типичные режимы сварки под флюсом угловых швов металлоконструкций «в лодочку» 

Таблица 27 
Типичные режимы автоматической сварки под флюсом стыковых швов металлоконструкций на флюсовой подушке 

При стыковых швах с зазором более 1,0–1,5 мм сварку производят на флюсовой подушке или на подкладках. При этом держателю придают поперечные колебательные движения. Тавровые и нахлесточные соединения рекомендуется выполнять электродной проволокой диаметром 1,6–2,0 мм на постоянном токе обратной полярности. Зазор между свариваемыми кромками не должен превышать 0,8–1,0 мм. Качественный шов за один проход шланговой сваркой можно получить при катете шва не более 8 мм. При катетах более 8 мм производят многослойную сварку шва.

Электрошлаковая сварка

Электрошлаковой сваркой называется сварка плавлением, при которой для нагрева металла используется теплота, выделяющаяся при прохождении электрического тока через расплавленный электропроводный шлак.  Это самый высокопроизводительный способ автоматической сварки металла значительной толщины (рис. 90).

Рис. 90.  Электрошлаковая сварка: 
1 – начальная скоба для возбуждения процесса сварки; 2 – металлическая ванна (сварочная); 3 – токопроводящий мундштук; 4 – подающие ролики; 5 – электродная проволока; 6 – шлаковая ванна; 7 – медные формующие ползуны; 8 – сварной шов; 9 – сборочная скоба; 10 – свариваемые детали 

Производится электрошлаковая сварка так:
• в пространство между свариваемыми кромками изделия и шлакоудерживающими приспособлениями (медными ползунами, начальными планками) вводятся флюс и электродная проволока;
• процесс сварки начинается с возбуждения дуги между электродной проволокой и начальной планкой. Теплотой дуги расплавляются флюс и электродная проволока;
• образуется ванна расплавленного металла, покрытая слоем жидкого шлака. Электродная проволока, находясь в ванне нагретого шлака, плавится, и дуга гаснет;
• сварочный ток, проходя через расплавленный шлак, нагревает его до температуры 1600–1700 °C;
• дальнейший бездуговой процесс плавки происходит за счет теплоты, выделяемой в шлаке сварочным током. По мере заполнения шва металлом медные ползуны, охлаждаемые проточной водой, перемещаются снизу вверх и формируют сварной шов.
Применяя электрошлаковую сварку несколькими электродными проволоками или электродами в виде ленты, можно сваривать кромки изделия практически любой толщины.
Важным преимуществом электрошлаковой сварки является возможность сварки швов сложной конфигурации, при этом электродная проволока подается через специальный плавящийся мундштук, форма которого соответствует форме свариваемого шва. Мундштук плавится вместе с электродной проволокой, заполняя свариваемый шов металлом.
При электрошлаковой сварке качество металла шва значительно выше, чем при автоматической сварке под флюсом. Это объясняется постоянным наличием над металлом шва жидкой фазы металла и нагретого шлака, что способствует более полному удалению газов и неметаллических включений. Резко снижается влияние на качество шва влажности флюса, ржавчины и различных загрязнений свариваемых кромок изделия. Трудоемкость операций по подготовке изделия под сварку снижается за счет исключения работ по разделке и подготовке кромок к сварке. Кромки обрезают кислородной резкой под прямым углом к поверхности свариваемых листов.
Так как процесс протекает в замкнутой системе при небольшом количестве флюса и полном использовании электродного металла, удельный расход электроэнергии, флюса и электродной проволоки сокращается.
Увеличенный вылет электродной проволоки и значительные плотности тока обеспечивают высокую производительность наплавки, достигающую 27 кг/ч. В то же время при автоматической сварке под флюсом он составляет примерно 12 кг/ч, а при ручной только 2 кг/ч. Расход электроэнергии на 1 кг наплавленного металла уменьшается вдвое, а расход флюса – в 20–30 раз по сравнению с автоматической сваркой под флюсом.
Производительность электрошлаковой сварки превышает производительность автоматической сварки под флюсом в 7–10 раз, а при большой толщине свариваемых кромок она в 15–20 раз выше производительности многослойной автоматической сварки.
Постепенный подогрев свариваемых кромок и замедленный нагрев околошовной зоны уменьшают возможность образования в ней закалочных структур. Поэтому при электрошлаковой сварке самозакаливающихся сталей образование закалочных трещин менее вероятно. Освоение электрошлаковой сварки позволило заменить громоздкие и тяжелые цельнолитые и цельнокованые станины и корпуса более легкими и компактными сварно-литыми и сварно-коваными деталями.

Для производства электрошлаковой сварки разработаны три типа аппаратов:  
1. Рельсовые аппараты, перемещающиеся по вертикальным рельсам или специальным направляющим вдоль свариваемого шва (аппараты типов А–820М, А–535 и А–681).
2. Безрельсовые аппараты, движущиеся по свариваемому изделию и связанные с ним механическим креплением (аппараты типов А–304 и А–612).
3. Шагающие магнитные аппараты, перемещающиеся по свариваемому изделию с помощью системы шагающих электромагнитов (аппарат типа А–501М).
Источниками питания многоэлектродных аппаратов для электрошлаковой сварки являются трехфазные сварочные трансформаторы ТШС–1000–3 и ТШС–3000–3. Они обеспечивают в каждой фазе сварочный ток соответственно в 1000 и 3000 А. Первичная и вторичная обмотки трансформаторов состоят из секций с отводами, что позволяет изменять вторичное напряжение в пределах 38–54 В.
Трансформаторы работают с принудительным охлаждением (ТШС–1000–3 – воздушное; ТШС–3000–3 – водяное). Можно применять также трансформаторы типов ТСД–500, ТСД–2000, СТН–750 и др.
Для электрошлаковой сварки применяют флюсы марок АН–8 и АН–22.
Электрошлаковой сваркой можно выполнять стыковые, тавровые, угловые и кольцевые соединения. Например, при сварке кольцевых стыков котельных барабанов применяют трехэлектродные аппараты типов А–385 и А–401. При толщине стенок кольцевого стыка 90 мм и внутреннем диаметре 1300 мм аппаратом типа А–385 шов заваривается за один проход за 2 ч.
Для сварки прямолинейных швов применяют двухэлектродный аппарат типа А–372Р, работающий на сварочных токах 400–1000 А при напряжении 48–50 В и скорости подачи электродной проволоки 150–500 м/ч.
Электрошлаковая сварка нашла применение при изготовлении и монтаже различных металлоконструкций. Для этих работ используют малогабаритные одноэлектродные сварочные аппараты типов А–681, А–820 и др. Для электрошлаковой сварки плавящимся мундштуком применяют малогабаритные однофазные аппараты типов А–645, А–1304.

Глава 13
Технология проведения дуговой сварки в защитных газах

Сущность дуговой сварки в защитных газах

Сущностью и отличительной особенностью дуговой сварки в защитных газах является защита расплавленного и нагретого до высокой температуры основного и электродного металла от вредного влияния воздуха защитными газами, обеспечивающими физическую изоляцию металла и зоны сварки от контакта с воздухом и заданную атмосферу в зоне сварки. Используют инертные и активные защитные газы. При этом способе в зону дуги подается защитный газ, струя которого, обтекая электрическую дугу и сварочную ванну, предохраняет расплавленный металл от воздействия атмосферного воздуха, окисления и азотирования.

Сварку в защитных газах отличают следующие преимущества:  
• высокая производительность (в 2–3 раза выше обычной дуговой сварки);
• возможность сварки в любых пространственных положениях, хорошая защита зоны сварки от кислорода и азота атмосферы, отсутствие необходимости очистки шва от шлаков и зачистки шва при многослойной сварке;
• малая зона термического влияния;
• относительно малые деформации изделий;
• возможность наблюдения за процессом формирования шва;
• доступность механизации и автоматизации.
Недостатками этого способа сварки являются необходимость принятия мер, предотвращающих сдувание струи защитного газа в процессе сварки, применение газовой аппаратуры, а в некоторых случаях и применение относительно дорогих защитных газов.
Были разработаны следующие разновидности сварки в защитном газе: в инертных одноатомных газах (аргон, гелий), в нейтральных двухатомных газах (азот, водород), в углекислом газе. Наиболее широкое применение получили аргонодуговая сварка и сварка в углекислом газе . Инертный газ гелий применяется очень редко ввиду его большой стоимости. Сварка в двухатомных газах (водород и азот) имеет ограниченное применение, так как водород и азот в зоне дуги диссоциируются на атомы и активно взаимодействуют с большинством металлов.
Сварка в углекислом газе , благодаря его дешевизне, получила широкое применение при изготовлении и монтаже различных строительных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей. Углекислый газ, подаваемый в зону дуги, не является нейтральным, так как под действием высокой температуры он диссоциируется на оксид углерода и свободный кислород. При этом происходит частичное окисление расплавленного металла сварочной ванны, и, как следствие, металл шва получается пористым, с низкими механическими свойствами. Для уменьшения окислительного действия свободного кислорода применяют электродную проволоку с повышенным содержанием раскисляющих примесей (марганца, кремния). Шов получается беспористый, с хорошими механическими свойствами.

Таблица 28 
Примерные режимы сварки в углекислом газе угловых швов металлических конструкций 

По способу защиты различают местную и общую защиту свариваемого узла  (сварку в контролируемой атмосфере). Основным способом местной защиты является струйная, при которой защитная среда создается газовым потоком при центральной, боковой или комбинированной подаче газа. При центральной подаче газа дуга, горящая между электродом и основным металлом, со всех сторон окружена газом, подаваемым под небольшим избыточным давлением из сопла горелки, расположенного концентрично оси электрода. Это самый распространенный способ защиты.
С целью экономии инертных газов, а также получения оптимальных технологических и металлургических свойств защитной среды применяют горелки, конструкция которых обеспечивает комбинированную защиту двумя концентрическими потоками газов (рис. 91). Например, внутренний поток образуется аргоном, а внешний – углекислым газом. При сварке высокоактивных металлов надо защищать не только расплавленный металл, но и зону металла, нагреваемую при сварке до температуры более 300 °C, с лицевой и обратной стороны шва. Для расширения струйной защиты с лицевой стороны шва применяют дополнительные колпаки-приставки, надеваемые на сопло горелки. Защита обратной стороны шва обеспечивается поддувом защитного газа. Боковую подачу газа применяют ограниченно. Наиболее эффективная защита металла шва и зоны термического влияния обеспечивается при сварке в камерах  с контролируемой атмосферой. Камеры предварительно продувают или вакуумируют, потом заполняют защитным (инертным) газом под небольшим давлением.

Рис. 91.  Подача защитных газов в зону сварки: 
а – центральная одним концентрическим потоком; б – центральная двумя концентрическими потоками; в – боковая; г – в подвижную камеру (насадку); 1 – электрод; 2 – защитный газ; 3, 4 – наружный и внутренний потоки защитных газов; 5 – насадка; 6 – распределительная сетка 

Сварку в защитных газах можно осуществлять вручную, полуавтоматически и автоматически. Ручная сварка применяется при соединении кромок изделий толщиной до 25–30 мм при выполнении коротких и криволинейных швов. Полуавтоматическая и автоматическая сварки применяются при массовом и крупносерийном производствах. Сварка в защитных газах производится как неплавящимся, так и плавящимся электродом.
Неплавящиеся электроды  служат только для возбуждения и поддержания горения дуги. Для заполнения разделки кромок в зону дуги вводят присадочный металл в виде прутков или проволоки. Применяются вольфрамовые, угольные и графитовые неплавящиеся электроды.
Вольфрамовые электроды  изготовляют из проволоки марки ВТ–15 диаметром 0,8–6 мм, содержащей 1,5–2,0 % диоксида тория. Торий способствует более легкому возбуждению и устойчивому горению дуги. Однако торий является радиоактивным веществом и его применение сопряжено с соблюдением специальных санитарных правил. Для сварки алюминия и его сплавов успешно применяют электроды из проволоки марки ВЛ–10 (вольфрам с присадкой лантана). Лантан снижает расход вольфрама и повышает устойчивость горения дуги. Расход вольфрама при сварке незначителен и составляет при сварочном токе 300–400 А около 0,05–0,06 г на метр сварного шва.
Угольные и графитовые электроды  применяют редко, так как они не обеспечивают достаточно устойчивого горения дуги и сварной шов получается пористым с темным налетом.
Плавящиеся электроды   применяют в виде соответствующих сварочной или порошковой проволоки.

Защитные газы

Аргон  – одноатомный инертный газ без цвета и запаха, тяжелее воздуха. Получают аргон из воздуха. Поставляется аргон двух сортов: высшего и первого. Высший сорт содержит 99,992 % аргона, не более 0,006 % азота и не более 0,0007 % кислорода. Первый сорт содержит аргона 99,987 %, азота до 0,01 % и кислорода не более 0,002 %.
Аргон поставляется в газообразном виде в баллонах типа А под давлением 15 МПа. Баллоны окрашены в серый цвет с зеленой полосой и зеленой надписью «Аргон чистый».
Аргон применяют при сварке ответственных сварных швов и при сварке высоколегированных сталей, титана, алюминия, магния и их сплавов.
Гелий  – одноатомный инертный газ без цвета и запаха. Газообразный гелий также производится двух сортов: гелий высокой чистоты (99,985 % гелия) и гелий технический (99,8 %). Транспортируется и поставляется в баллонах типа А при максимальном давлении 15 МПа. Баллоны окрашены в коричневый цвет с белой надписью «Гелий». Гелий используют так же, как аргон, но значительно реже ввиду высокой стоимости.
Углекислый газ (CO2)  не имеет цвета и запаха. Получают его из газообразных продуктов сгорания антрацита или кокса, при обжиге известняка и т. д. Поставляется в сжиженном состоянии в баллонах типа А вместимостью 40 л, в баллон при максимальном давлении 7,5 МПа вмещается 25 кг углекислоты (при испарении образуется около 12 750 л газа). Для сварки используют сварочную углекислоту. Чистота углекислоты первого сорта должна быть не менее 99,5 %, а высшего сорта – 99,8 %. Баллоны с углекислотой окрашивают в черный цвет с желтой надписью «СО2 сварочный». Применяется при сварке низкоуглеродистых и некоторых конструкционных и специальных сталей.
Для снижения влажности углекислого газа рекомендуется установить баллон вентилем вниз и после отстаивания в течение 15 мин. осторожно открыть вентиль и выпустить из баллона влагу. Перед сваркой необходимо из нормально установленного баллона выпустить небольшое количество газа, чтобы удалить попавший в баллон воздух.
Часть влаги задерживается в углекислоте в виде водяных паров, ухудшая при сварке качество шва. Кроме того, при выходе из баллона от резкого расширения происходит снижение температуры углекислоты и влага, конденсируясь в редукторе, забивает каналы и даже полностью закрывает выход газа.
Для предупреждения замерзания влаги между баллоном и редуктором устанавливают электрический подогреватель. Окончательное удаление влаги после редуктора производится специальным осушителем, наполненным прокаленным медным купоросом, хромистым кальцием или другим осушающим веществом.

Сварочные полуавтоматы и автоматы

Аргонодуговая сварка неплавящимся или плавящимся электродом производится на постоянном и переменном токе. Установка для ручной сварки постоянным током  состоит из сварочного генератора постоянного тока или сварочного выпрямителя, балластного реостата, газоэлектрической горелки, баллона с газом, редуктора и контрольных приборов (амперметра, вольтметра и расходомера газа) (рис. 92).

Рис. 92 . Электрическая и газовая схемы сварки в защитных газах: 
а – неплавящимся электродом в инертных газах на постоянном токе прямой полярности; б – то же на переменном токе; в – плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности; 1 – сварочный преобразователь; 2 – амперметр; 3 – вольтметр; 4 – балластный реостат; 5 – горелка; 6 – вольфрамовый электрод; 7 – редуктор-расходомер для защитного газа; 8 – баллон с защитным газом; 9 – сварочный трансформатор; 10 – осциллятор; 11 – механизм подачи проволоки; 12 – плавящаяся сварочная проволока; 13 – контактор; 14 – катушка с проволокой; 15 – изделие 

Источником питания дуги служат сварочные генераторы постоянного тока с жесткой или пологопадающей внешней характеристикой. Для регулирования и получения малых значений сварочного тока и повышения устойчивости горения дуги в сварочную цепь включают балластные реостаты.
Используются газоэлектрические горелки различной конструкции. Наибольшее применение получила горелка типа ЭЗР. Выпускаются горелки типов ЭЗР–66 для сварки током до 150 А, ЭЗР–4–68 – до 500 А и ЭЗР–5–71 – до 80 А.
Электрододержатель типа ЭЗР–3–66 состоит из корпуса, сменного наконечника, рукоятки с устройством включения подачи газа и газо-токоподводящего кабеля. Диаметр сопла сменных наконечников 8 и 10 мм. Они позволяют использовать электроды диаметром 1,5, 2 и 3 мм, рассчитанные на сварочные токи до 150 А. Расход аргона составляет 120–360 л/ч. Масса горелки с газо-токопроводящим кабелем около 3 кг.
Для сварки при больших сварочных токах (до 450 А) применяют также горелки типов АР–10–3 (большая), АР–75, АР–9, снабженные системой водяного охлаждения.
Установка для ручной сварки переменным током  состоит из источника питания дуги, осциллятора, балластного реостата, газоэлектрической горелки, баллона с газом, редуктора и контрольных приборов.
Источники питания должны иметь повышенное вторичное напряжение, чтобы обеспечить устойчивое горение дуги. Для этого в сварочную цепь включают два сварочных трансформатора с последовательно включенными вторичными обмотками или применяют трансформатор типа ТСДА с повышенным вторичным напряжением холостого хода.
Осциллятор  обеспечивает быстрое и легкое возбуждение и устойчивое горение дуги. Применяют газоэлектрические горелки типов ГРАД–200 и ГРАД–400, отличающиеся легкостью.
Горелка ГРАД–200 массой 0,2 кг допускает сварочные токи до 200 А, а горелка ГРАД–400 массой 0,4 кг – до 400 А.
Применяются установки УДАР–300 и УДАР–500 (номинальный сварочный ток 300 и 500 А). Взамен этих установок выпускаются установки типов УДГ–301 и УДГ–501. Установки типов УДГ–301 и УДГ–501 применяют для сварки сплавов легких металлов в аргоне. Такие установки имеют однофазный силовой трансформатор с неподвижным подмагничиваемым шунтом. Сердечник шунта с обмоткой, питаемой постоянным током, расположен перпендикулярно стержням трансформатора, на которых находятся секции первичной и вторичной обмоток. Два диапазона регулирования сварочного тока получают при параллельном соединении секций обмоток – большие токи и при их последовательном соединении – малые токи. В пределах каждого диапазона плавное регулирование тока осуществляют подмагничиванием шунта, изменяя ток, питающий его обмотку.
Полуавтоматическая сварка неплавящимся электродом производится шланговым полуавтоматом типа ПШВ–1, состоящим из сопла, вольфрамового электрода, корпуса, сварочной проволоки рукоятки, механизма подачи сварочной проволоки. ПШВ–1 предназначен для сварки металлов толщиной 0,5–5 мм. Полуавтомат снабжен электродвигателем, который через редуктор и гибкий вал, проходящий по шлангу, приводит во вращение ролики, расположенные на газоэлектрической горелке. Ролики протягивают по шлангу присадочную проволоку и подают ее в зону дуги. Скорость подачи проволоки диаметром 1–2 мм устанавливается в пределах 5–60 м/ч.

Рис. 93. 
Схема поста полуавтоматической сварки тонкой электродной проволокой в углекислом газе: 
1 – держатель; 2 – подающий механизм; 3 – кнопка включения; 4– защитный щиток; 5 – манометр на 6 атмосфер; 6 – переходной штуцер для установки манометра; 7 – редуктор кислородный с манометром высокого давления; 8 – осушитель газа; 9 – подогреватель газа; 10 – баллон с углекислым газом; 11 – сварочный выпрямитель; 12 – пульт управления 

Сварку осуществляют постоянным или переменным током с включением в сварочную цепь осциллятора. Полуавтомат позволяет выполнять сварку во всех пространственных положениях шва. Полуавтоматическая сварка плавящимся электродом производится с помощью полуавтоматов типов ПШПА–6, ПШПА–7 и ПШП–9. Первые два типа предназначены для сварки электродной проволокой диаметром 1,6–2,5 мм при сварочном токе до 300 А, а последний тип – для сварки малых толщин проволокой диаметром 0,5–1,2 мм при сварочных токах до 180 А.
Комплект полуавтомата состоит из переносного пульта управления, механизма подачи электродной проволоки с кассетой и газоэлектрической горелки в виде пистолета. Электродная проволока вытягивается из кассеты по шлангу роликами, расположенными в пистолете. Ролики вращаются электродвигателем через редуктор с помощью гибкого привода. Пистолет полуавтомата ПШПА–7  предназначен для сварки многослойных швов деталей из алюминия, магния и их сплавов с толщиной кромки до 100–150 мм. Для предохранения от нагрева пистолет имеет водяное охлаждение. Пистолет состоит из сопла, механизма подачи проволоки, шланга для подачи проволоки, шланга для подвода аргона, проводов управления, рукоятки.
Для сварки в монтажных условиях рекомендуется ранцевый полуавтомат типа ПДГ–304 , имеющий ремни для крепления на спине сварщика. Источником питания служит выпрямитель типа ВДГ–301. Сварочный ток – 315 А, диаметр сварочной проволоки 0,8–2,0 мм, скорость подачи проволоки 0,05–0,2 м/с. Масса механизма полуавтомата ПДГ–304–7 кг. Автоматическая сварка может производиться неплавящимся и плавящимся электродами.
Автомат типа УДПГ–300  служит для сварки в защитном газе. В его комплект входят: сварочная головка, механизм подачи проволоки, электродная проволока, кассета с электродной проволокой, кнопка управления, электродвигатель механизма подачи.
Применяются специализированные сварочные тракторы типа АДСП–2  для сварки черных и цветных металлов толщиной 0,8 мм и более.
Автоматы типа АТВ  предназначены для сварки труб различного диаметра неплавящимся вольфрамовым электродом и присадочной проволокой диаметром 1,6–2,0 мм.
Сварка в углекислом газе производится полуавтоматическими и автоматическими аппаратами. Полуавтоматическая установка состоит из сварочного преобразователя постоянного тока, газоэлектрической горелки, механизма подачи электродной проволоки, аппаратного шкафа, баллона с углекислым газом, осушителя, подогревателя, редуктора и расходомера. Применяют сварочные преобразователи типов ПСГ–350 или ПСГ–500–2.
Газоэлектрические горелки служат для подвода газа и подачи электродной проволоки в зону дуги и для подвода сварочного тока к электродной проволоке. Они выпускаются различных типов для малых сварочных токов (до 300 А) и для сварки на больших токах (до 1000 А). Последние снабжены водяным охлаждением.
Механизм подачи электродной проволоки используется от полуавтоматов типов ПШПА–6, ПШПА–7. Подача электродной проволоки производится с постоянной скоростью независимо от напряжения дуги.
Аппаратный шкаф  содержит электрооборудование, необходимое для подвода сварочного тока и тока цепей управления к соответствующей аппаратуре установки.
Осушитель газа типа РОК–1 , начиненный обезвоженным медным купоросом, применяют для удаления влаги из углекислого газа.
Подогреватель  с электронагревательным элементом служит для подогрева углекислоты. Это необходимо для предупреждения замерзания редуктора, которое может произойти от понижения температуры газа при редуцировании.
Очень широкое применение получил полуавтомат типа А–547УМ (ПДГ–309) , предназначенный для сварки листового материала толщиной до 3 мм во всех пространственных положениях электродной проволокой диаметром 0,8–1,2 мм с постоянным током обратной полярности. Источниками питания дуги являются выпрямители типа ВС–300Б или ВДГ–301. Сварочный ток устанавливается в пределах 60–300 А. Механизм подачи электродной проволоки вмонтирован в чемоданчик и состоит из электродвигателя постоянного тока, роликов и катушки с проволокой. Реостат, включенный в обмотку двигателя, позволяет плавно изменять скорость вращения электродвигателя и тем самым изменять скорость подачи электродной проволоки в пределах 100–340 м/ч. Электродная проволока применяется марок Св–12ГС, Св–08ГС и Св–08Г2С.
Для автоматической сварки применяют специальные сварочные аппараты типов АДПГ–500, АСУ–6 или сварочные тракторы типов АДС–1000–2, ТС–17М, переоборудованные для сварки в углекислом газе.

Аргонодуговая сварка

Во время аргонодуговой сварки постоянным током неплавящимся электродом используют прямую полярность. Дуга горит устойчиво, обеспечивая хорошее формирование шва. При обратной полярности устойчивость процесса снижается, вольфрамовый электрод перегревается, что приводит к необходимости значительно уменьшить сварочный ток. Вследствие этого производительность процесса снижается.
Во время автоматической и полуавтоматической сварок плавящимся электродом применяется постоянный ток обратной полярности, при котором обеспечивается высокая производительность процесса. Кроме того, при сварке алюминия, магния и их сплавов происходит мощная бомбардировка поверхности сварочной ванны положительными ионами, что наряду с процессом катодного распыления приводит к разрушению пленки оксидов алюминия и магния, облегчая процесс качественной сварки без применения флюсов.
При сварке переменным током неплавящимся электродом необходимо, чтобы источник тока имел более высокое напряжение холостого хода, что обеспечивает устойчивое горение дуги и стабилизирует процесс сварки. Однако в связи с ограничением напряжения по условиям безопасности применяют ток допускаемого напряжения, на который накладывается ток высокой частоты, включая в сварочную цепь осциллятор.
При сварке переменным током происходит частичное выпрямление тока вследствие различной электронной эмиссии вольфрамового электрода и свариваемого изделия.
В периоды, когда вольфрамовый электрод является катодом, электронная эмиссия имеет большую интенсивность, проводимость дугового промежутка повышается, а напряжение на дуге понижается. Вследствие этого сварочный ток увеличивается.
В периоды, когда катодом является изделие, электронная эмиссия менее интенсивна, в результате чего сварочный ток уменьшается. Ввиду этого появляется некоторая составляющая постоянного тока, что приводит к уменьшению тепловой мощности дуги и значительно затрудняет разрушение оксидной пленки при сварке алюминиевых и магниевых сплавов и тем самым способствует образованию поверхностных и внутренних дефектов. Поэтому при сварке переменным током принимают меры по устранению или снижению составляющей постоянного тока.
Для этой цели в сварочную цепь включают последовательно конденсаторную батарею 100 мкФ на 1 А сварочного тока или аккумуляторную батарею (положительный полюс батареи присоединяют к электроду). Применяется также последовательное включение в сварочную цепь активного сопротивления, но эта мера снижает устойчивость горения дуги, и поэтому при такой схеме сварочной цепи приходится использовать источники питания дуги с повышенным напряжением холостого хода до 120 В.
При ручной сварке неплавящимся электродом возбуждение дуги производят на угольной или графитовой пластинке и некоторое время разогревают электрод, а затем быстро переносят дугу в начало разделки кромок. При сварке переменным током возбуждение дуги осуществляют с помощью осциллятора без короткого замыкания электрода на изделие. При полуавтоматической и автоматической сварке возбуждение дуги производят путем касания электродной проволокой вводной планки, которую устанавливают для предупреждения дефекта в начале свариваемого шва.
Аргонодуговой сваркой можно выполнять швы стыковых, тавровых и угловых соединений.
При толщине листов до 2,5 мм сварку рекомендуется производить с отбортовкой кромок.
При малом зазоре порядка 0,1–0,5 мм можно сваривать тонколистовой материал толщиной 0,4–4 мм без отбортовки и разделки кромок. Чем меньше толщина свариваемых встык листов, тем меньше допустимый зазор. Листы толщиной 4–12 мм сваривают с V-образной разделкой кромок при угле разделки 50–70°. Допустимый зазор в стыке составляет не более 1,0 мм. Расход аргона должен обеспечить надежную защиту электрода и металла сварочной ванны от воздействия воздуха. Следует учитывать конфигурацию свариваемого изделия, чтобы при экономном расходовании газа создать хорошую защиту шва.
Рекомендуются следующие соотношения:

Перед началом сварки следует продуть шланг и горелку небольшой порцией аргона. Возбуждение дуги следует производить спустя 3–4 с после подачи аргона в горелку. Струя аргона должна защищать не только сварочную ванну, но и обратную сторону шва. Если доступ к обратной стороне шва затруднен, то применяют подкладки или флюсовую подушку.
Ручную сварку листов малой толщины производят левым способом, при котором горелка перемещается по шву справа налево. Листы большой толщины (более 12 мм) сваривают правым способом, т. е. горелку ведут слева направо. Ось мундштука горелки при сварке тонких листов (толщиной до 4 мм) должна составлять с поверхностью свариваемых листов 75–80°. Присадочный пруток вводится в зону дуги под углом 10–15° к поверхности свариваемых листов, т. е. почти перпендикулярно оси мундштука горелки. При сварке листов большей толщины ось мундштука горелки располагают почти перпендикулярно к поверхности свариваемых листов.
Длина дуги при аргонодуговой сварке небольшая и составляет 1,5–2,5 мм при длине выступающего вольфрамового электрода в пределах 6–12 мм. Дугу следует гасить постепенно, увеличивая дуговой промежуток. Подачу аргона в зону дуги следует прекратить лишь спустя 10–15 с после гашения дуги, чтобы защитить металл шва от воздействия воздуха до его затвердевания.
Автоматическая и полуавтоматическая сварка плавящимся электродом производится при постоянной скорости подачи электродной проволоки независимо от напряжения дуги. Постоянство длины дуги поддерживается автоматическим саморегулированием. Применяется электродная проволока диаметром 0,5–2,0 мм. Листы толщиной до 5 мм соединяют стыковой сваркой без разделки кромок, а при толщине листов более 5 мм производят V-образную разделку шва с углом разделки 30–50°.
Сварочный ток влияет на характер переноса металла в шов. С увеличением тока капельный перенос металла электрода сменяется струйным и глубина проплавления увеличивается. Критическим называют значение тока, при котором металл электрода начинает стекать в сварочную ванну в виде тонкой струи. Практика показала, что при сварке алюминиевых сплавов критический ток составляет 70 А на 1 мм2 сечения электродной проволоки, при сварке сталей – 60–120 А на 1 мм2 сечения проволоки.
Подготовка поверхностей под сварку включает обезжиривание растворителями, бензином авиационным или ацетоном техническим, а затем удаление оксидной пленки механической зачисткой или химическим способом. Обработку рекомендуется выполнять не более чем за 2–4 ч до сварки. Механическую зачистку производят металлическими щетками из проволок диаметром до 5 мм.
Химический способ включает травление в течение 0,5–1,0 мин раствором, состоящим из 45–55 г едкого натра технического и 40–50 г фтористого натрия технического на 1 л воды, промывку проточной водой, нейтрализацию в 25–30 %-м водном растворе азотной кислоты в течение 1–2 мин, промывку в проточной воде, затем в горячей воде, сушку до полного испарения влаги.

Сварка в углекислом газе

Преимущество сварки в углекислом газе перед сваркой под флюсом состоит в том, что сварщик может наблюдать за ходом горения дуги, не закрытой флюсом. При ее производстве не нужны приспособления для подачи и отсоса флюса, которые усложняют сварочное оборудование. Отпадает необходимость в последующей очистке швов от шлака и остатков флюса, что особенно важно при многослойной сварке.
Сварку в углекислом газе производят почти во всех пространственных положениях. Она осуществляется при питании дуги постоянным током обратной полярности. Во время сварки постоянным током прямой полярности снижается стабильность горения дуги, ухудшается формирование шва, происходит увеличение потери электродного металла на угар и разбрызгивание. Однако коэффициент наплавки в 1,6–1,8 раза выше, чем при обратной полярности. Это качество используют при наплавочных работах. Сварку можно производить и на переменном токе при включении в сварочную цепь осциллятора.
В качестве источников питания дуги постоянным током используют сварочные выпрямители с жесткой внешней или универсальной характеристиками.
В углекислом газе успешно сваривают листовой материал из углеродистых и низколегированных сталей. Листы толщиной 0,6–1,0 мм сваривают с отбортовкой кромок. Допускается также сварка без отбортовки, но с зазором между кромками не более 0,3–0,5 мм. Листы толщиной 1,0–8,0 мм сваривают без разделки кромок, при этом зазор между свариваемыми кромками должен быть не более 1 мм. Листы толщиной 8–12 мм сваривают V-образным швом, а при больших толщинах – Х-образным швом. Перед сваркой кромки изделия должны быть тщательно очищены от грязи, краски, окислов и окалины.
Наилучшие результаты дает сварка при больших плотностях тока, обеспечивающих более устойчивое горение дуги, высокую производительность процесса и снижение потерь металла на разбрызгивание. Для этого при сварке в углекислом газе применяют электродную проволоку диаметром 0,5–2,0 мм и выполняют сварку при плотности тока не менее 80 А/мм2.
Сварочная проволока применяется из низкоуглеродистой стали с повышенным содержанием кремния и марганца марок Св–08ГС, Св–08Г2С. Поверхность проволоки должна быть чистой от смазки, антикоррозионных покрытий, ржавчины и загрязнений, нарушающих устойчивость режима сварки. Режим сварки выбирается в зависимости от толщины свариваемых кромок.
Сварочный ток и скорость сварки в значительной степени зависят от размеров разделки свариваемого шва, т. е. от количества наплавляемого металла. Напряжение устанавливается таким, чтобы получить устойчивый процесс сварки при возможно короткой дуге (1,5–4,0 мм). При большей длине дуги процесс сварки неустойчивый, увеличивается разбрызгивание металла, возрастает возможность окисления и азотирования наплавляемого металла.
Скорость подачи электродной проволоки зависит от сварочного тока и напряжения, чтобы процесс протекал устойчиво при вполне удовлетворительном формировании шва и незначительном разбрызгивании металла. Расход углекислого газа устанавливается так, чтобы обеспечить полную защиту металла шва от воздействия атмосферного воздуха. При сварке толстых изделий сварочными токами 500–1000 А расход газа достигает 15–20 л/мин. Расстояние от торца мундштука горелки до сварного соединения должно быть при сварочных токах до 150 А в пределах 7–15 мм, а при токах до 500 А – в пределах 15–25 мм.
Полуавтоматическую сварку можно вести углом вперед, перемещая горелку справа налево, и углом назад, перемещая горелку слева направо. При сварке углом вперед глубина проплавления меньше, наплавляемый валик получается широкий. Такой метод применяют при сварке тонкостенных изделий и при сварке сталей, склонных к образованию закалочных структур.
При сварке углом назад глубина проплавления больше, а ширина валика несколько уменьшается. Угол наклона горелки относительно вертикальной оси составляет 5–15°. Перед началом сварки следует отрегулировать расход углекислого газа и только спустя 30–40 с возбудить дугу и приступить к сварке. Это необходимо, чтобы газ вытеснил воздух из шлангов и каналов сварочной горелки. Вылет электродной проволоки устанавливается в пределах 8–15 мм при диаметре проволоки 0,5–1,2 мм и 15–35 мм – при диаметре проволоки 1,2–3 мм. В процессе сварки электроду сообщается такое движение, чтобы получилось хорошее заполнение металлом разделки свариваемых кромок и удовлетворительное формирование наплавляемого валика. Эти движения аналогичны движениям электрода при ручной дуговой сварке качественными электродами.
Для снижения опасности образования трещин рекомендуется первый слой сваривать при малом сварочном токе. Заканчивать шов следует заполнением кратера металлом. Затем прекращается подача электродной проволоки и выключается ток. Подача газа на заваренный кратер продолжается до полного затвердевания металла.
При сварке в углекислом газе следует помнить об отравляющих действиях оксида углерода СО, выделяющегося при сварке. Поэтому при сварке в резервуарах и закрытых помещениях необходимо обеспечить хорошую вентиляцию.

Глава 14
Технология проведения контактной сварки

Сущность контактной сварки

Контактной сваркой называется сварка с применением давления, при которой нагрев производится теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через находящиеся в контакте соединяемые части. 
Количество выделяющейся теплоты (Дж) может быть определено по формуле:

Q = 0,24I×Rt   ,

где I   – ток, А;
R   – сопротивление участка цепи в месте контакта деталей, Ом;
t   – продолжительность действия тока, с.

Из формулы видно, что количество теплоты зависит от тока в сварочной цепи. Поэтому для быстрого нагрева свариваемых кромок применяют большие токи, достигающие нескольких десятков тысяч ампер. Так как электрическое сопротивление прохождению тока в месте контакта свариваемых деталей велико, на этом малом участке выделяется большое количество теплоты, которое вызывает быстрый нагрев металла. С повышением температуры металла в зоне контакта его сопротивление возрастает, следовательно, еще более возрастает количество выделяющейся теплоты и ускоряется процесс нагрева металла. Таким образом, применение больших сварочных токов позволяет осуществить быстрый нагрев металла и выполнить сварку за десятые и даже сотые доли секунды.
Режим контактной сварки характеризуется совместным действием основных параметров: тока и времени его протекания, силы сжатия и времени ее действия. По основным параметрам контактной сварки – тока и времени его действия – различают два режима процесса сварки: жесткий и мягкий.
Жесткий режим  характеризуется применением больших токов и малым временем процесса сварки. Такой режим применяется для сталей, чувствительных к нагреву и склонных к образованию закалочных структур, а также при сварке легкоплавких цветных металлов и их сплавов.
Мягкий режим  характеризуется большей продолжительностью процесса и постепенным нагревом свариваемого металла. Таким режимом пользуются при сварке углеродистых сталей, обладающих низкой чувствительностью к тепловому воздействию.
Машина контактной сварки состоит из двух основных частей: электрической и механической (рис. 94).